(57)【要約】発光性造影法に使用するデバイス。このデバイスは、撮像ピクセルのアレイと、撮像ピクセルのアレイにわたり配置したフォトニック構造とを備えることができる。デバイスは、さらに、フォトニック構造にわたり配置した形体アレイを備えることができる。形体アレイにおける第１形体は、撮像ピクセルのアレイにおける第１ピクセル上方に配置することができ、また形体アレイにおける第２形体は、撮像ピクセルのアレイにおける第１ピクセル上方に配置し、かつ第１形体から空間的に変位して配置することができる。第１発光団は第１形体内又はその上方に配置することができ、また第２発光団は第２形体内又はその上方に配置することができる。デバイスは、さらに、第１時点で第１特性を有する第１光子を発生し、また第２時点で第２特性を有する第２光子を発生する放射線源を備えることができる。第２特性は第１特性とは異なり、また第２時点は第１時点とは異なる。第１ピクセルは、第１時点での第１光子に応答する第１発光団によって発する発光を選択的に受け取り、また２時点での第２光子に応答する第２発光団によって発する発光を選択的に受け取ることができる。【選択図】図１３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光性造影法に使用するデバイスであって、
撮像ピクセルのアレイと、
前記撮像ピクセルのアレイ上方に配置されるフォトニック構造と、
前記フォトニック構造上方に配置される形体アレイであり、
該形体アレイのうち第１形体は前記撮像ピクセルのアレイにおける第１ピクセル上方に配置され、
該形体アレイのうち第２形体は前記第１ピクセル上方、かつ前記第１形体から空間的に変位した位置に配置される、
該形体アレイと、
前記第１形体内又はその上方に配置された第１発光団と、
前記第２形体内又はその上方に配置された第２発光団と、及び
第１時点で第１特性を有する第１光子を発生するよう構成され、また第２時点で第２特性を有する第２光子を発生するよう構成されている放射線源であり、前記第２特性は前記第１特性とは異なり、前記第２時点は第１時点とは異なる、該放射線源と、
を備え、
前記第１ピクセルは、前記第１時点での前記第１光子に応答して前記第１発光団が発する発光を選択的に受光し、また前記第２時点での前記第２光子に応答して前記第２発光団が発する発光を選択的に受光する、デバイス。
【請求項２】
請求項１記載のデバイスにおいて、前記第１特性を有する前記第１光子は、前記第１時点で前記フォトニック構造内に第１共鳴パターンを発生し、前記第１共鳴パターンは、前記第２発光団に比べて前記第１発光団を選択的に励起し、また
前記第２特性を有する前記第２光子は、前記第２時点で前記フォトニック構造内に第２共鳴パターンを発生し、前記第２共鳴パターンは、前記第１発光団に比べて前記第２発光団を選択的に励起する、デバイス。
【請求項３】
請求項１又は２記載のデバイスにおいて、前記撮像ピクセルのアレイ、前記フォトニック構造、及び前記形体アレイは、互いにモノリシックに集積されている、デバイス。
【請求項４】
請求項１〜３のうちいずれか一項記載のデバイスにおいて、前記フォトニック構造はフォトニック結晶を備える、デバイス。
【請求項５】
請求項１〜３のうちいずれか一項記載のデバイスにおいて、前記フォトニック構造はフォトニック超格子を備える、デバイス。
【請求項６】
請求項１〜３のうちいずれか一項記載のデバイスにおいて、前記フォトニック構造はマイクロキャビティアレイを備える、デバイス。
【請求項７】
請求項１〜３のうちいずれか一項記載のデバイスにおいて、前記フォトニック構造はプラズモンナノアンテナのアレイを備える、デバイス。
【請求項８】
請求項１〜７のうちいずれか一項記載のデバイスにおいて、前記形体アレイは、複数個のウェルを備え、前記第１形体は、内部に第１発光団が配置される第１ウェルを有し、また前記第２形体は、内部に第２発光団が配置される第２ウェルを有する、デバイス。
【請求項９】
請求項１〜７のうちいずれか一項記載のデバイスにおいて、前記形体アレイは、複数個のポストを備え、前記第１形体は、上部に第１発光団が配置される第１ポストを有し、また前記第２形体は、上部に第２発光団が配置される第２ポストを有する、デバイス。
【請求項１０】
請求項１〜９のうちいずれか一項記載のデバイスにおいて、前記第１及び第２の特性は、波長、偏光性、及び角度よりなるグループから独立的に選択される、デバイス。
【請求項１１】
請求項１〜１０のうちいずれか一項記載のデバイスにおいて、前記第１特性は第１直線偏光性を備え、また前記第２特性は前記第１直線偏光性とは異なる第２直線偏光性を備える、デバイス。
【請求項１２】
請求項１１記載のデバイスにおいて、前記第１直線偏光性は前記第２直線偏光性に対してほぼ直交する、デバイス。
【請求項１３】
請求項１１記載のデバイスにおいて、前記第１直線偏光性は前記第２直線偏光性に対して約１５゜〜７５゜の間における角度だけ回転している、デバイス。
【請求項１４】
請求項１〜１３のうちいずれか一項記載のデバイスにおいて、前記第１特性は第１波長を備え、また第２特性は前記第１波長とは異なる第２波長を備える、デバイス。
【請求項１５】
請求項１〜１４のうちいずれか一項記載のデバイスにおいて、前記放射線源は光学的コンポーネントを備え、
前記デバイスは、さらに、前記光学的コンポーネントに接続されたコントローラであって、前記光学的コンポーネントを制御して前記第１光子に第１特性を付与するよう構成され、また前記第２光子に前記第２特性を付与するよう構成された、該コントローラを備える、デバイス。
【請求項１６】
請求項１５記載のデバイスにおいて、前記光学的コンポーネントは、前記コントローラによる第１制御信号に応答して前記第１光子を第１直線偏光性になるまで回転させるよう構成され、また前記コントローラによる第２制御信号に応答して前記第２光子を第２直線偏光性になるまで回転させるよう構成された、複屈折材料を有する、デバイス。
【請求項１７】
請求項１〜１６のうちいずれか一項記載のデバイスにおいて、前記第１及び第２の光子の各々は、互いにほぼ同一角度で前記フォトニック構造を照射する、デバイス。
【請求項１８】
請求項１〜１７のうちいずれか一項記載のデバイスにおいて、前記第１及び第２の光子の各々は、前記フォトニック構造の大表面にほぼ垂直な角度で前記フォトニック構造を照射する、デバイス。
【請求項１９】
請求項１〜１７のうちいずれか一項記載のデバイスにおいて、前記第１及び第２の光子の各々は、前記フォトニック構造の大表面にほぼ平行な角度で前記フォトニック構造を照射する、デバイス。
【請求項２０】
請求項１〜１９のうちいずれか一項記載のデバイスにおいて、前記第２形体は前記第１形体から側方に変位している、デバイス。
【請求項２１】
請求項１〜２０のうちいずれか一項記載のデバイスにおいて、
前記形体アレイにおける第３形体は、前記第１ピクセルの上方、かつ前記第１及び第２の形体の各々から空間的に変位して配置され、
前記デバイスは、さらに、前記第３形体内又はその上方に配置された第３発光団を備え、
前記放射線源は、第３時点で第３特性を有する第３光子を発生し、前記第３特性は前記第１及び第２の特性とは異なり、また前記第３時点は記第１及び第２の時点とは異なるものであり、また
前記第１ピクセルは、前記第３時点で前記第３光子に応答して第３発光団が発する発光を選択的に受光する、デバイス。
【請求項２２】
請求項２１記載のデバイスにおいて、
前記形体アレイにおける第４形体は、前記第１ピクセルの上方、かつ前記第１、第２及び第３の形体の各々から空間的に変位して配置され、
前記デバイスは、さらに、前記第４形体内又はその上方に配置された第４発光団を備え、
前記放射線源は、第４時点で第４特性を有する第４光子を発生し、前記第４特性は前記第１、第２及び第３の特性とは異なり、前記第４時点は記第１、第２及び第３の時点とは異なるものであり、また
前記第１ピクセルは、前記第４時点で前記第４光子に応答して第４発光団が発する発光を選択的に受光する、デバイス。
【請求項２３】
請求項２２記載のデバイスにおいて、前記第１発光団は第１核酸に結合され、前記第２発光団は第２核酸に結合され、前記第３発光団は第３核酸に結合され、また前記第４発光団は第４核酸に結合される、デバイス。
【請求項２４】
請求項１〜２０のうちいずれか一項記載のデバイスにおいて、
前記形体アレイにおける第３形体は、前記撮像ピクセルのアレイにおける第２ピクセルの上方に配置され、
前記形体アレイにおける第４形体は、前記第２ピクセルの上方、かつ前記第３形体から空間的に変位した位置に配置され、
前記デバイスは、さらに、前記第３形体内又はその上方に配置された第３発光団を備え、
前記デバイスは、さらに、前記第４形体内又はその上方に配置された第４発光団を備え、
前記第２ピクセルは、前記第１時点で前記第１光子に応答して、又は前記第２時点で前記第２光子に応答して前記第３発光団が発する発光を選択的に受光する、また
前記第２ピクセルは、前記第１時点で前記第１光子に応答して、又は前記第２時点で前記第２光子に応答して前記第４発光団が発する発光を選択的に受光する、デバイス。
【請求項２５】
請求項２４記載のデバイスにおいて、前記第１発光団は第１核酸に結合され、前記第２発光団は第２核酸に結合され、前記第３発光団は第３核酸に結合され、また前記第４発光団は第４核酸に結合される、デバイス。
【請求項２６】
請求項１〜２５のうちいずれか一項記載のデバイスにおいて、前記第１及び第２の形体の各々はほぼ円形断面を有する、デバイス。
【請求項２７】
請求項１〜２６のうちいずれか一項記載のデバイスにおいて、前記フォトニック構造は六角形格子を備え、また前記撮像ピクセルは矩形である、デバイス。
【請求項２８】
請求項１〜２７のうちいずれか一項記載のデバイスにおいて、前記放射線源は、前記第１及び第２の光子で前記フォトニック構造を一斉照明するよう構成される、デバイス。
【請求項２９】
請求項１〜２８のうちいずれか一項記載のデバイスにおいて、前記放射線源はレーザーを備える、デバイス。
【請求項３０】
請求項１〜２９のうちいずれか一項記載のデバイスにおいて、前記第１及び第２の光子は、独立的に約３００ｎｍ〜約８００ｎｍの間における波長を有する、デバイス。
【請求項３１】
請求項１〜３０のうちいずれか一項記載のデバイスにおいて、前記第１発光団は第１核酸に結合され、また前記第２発光団は第２核酸に結合される、デバイス。
【請求項３２】
請求項１〜３１のうちいずれか一項記載のデバイスにおいて、さらに、前記形体アレイに接触する少なくとも１個のマイクロ流体形体であって、１つ又はそれ以上の検体のフローを前記第１及び第２の形体に供給するよう構成された、該少なくとも１個のマイクロ流体形体を備える、デバイス。
【請求項３３】
請求項１〜３２のうちいずれか一項記載のデバイスにおいて、前記第１発光団はシークエンシングすべき第１ポリヌクレオチドに結合され、また前記第２発光団はシークエンシングすべき第２ポリヌクレオチドに結合される、デバイス。
【請求項３４】
請求項３３記載のデバイスにおいて、前記第１ポリヌクレオチドは前記第１形体に結合され、また前記第２ポリヌクレオチドは前記第２形体に結合される、デバイス。
【請求項３５】
請求項３３又は３４記載のデバイスにおいて、さらに、
前記第１ポリヌクレオチドに相補的であり、該第１ポリヌクレオチドに結合される第３ポリヌクレオチドに対して第１核酸を付加する第１ポリメラーゼであって、前記第１核酸は前記第１発光団に結合されているものである、該第１ポリメラーゼと、
前記第２ポリヌクレオチドに相補的であり、該第２ポリヌクレオチドに結合される第４ポリヌクレオチドに対して第２核酸を付加する第２ポリメラーゼであって、前記第２核酸は前記第２発光団に結合されているものである、該第２ポリメラーゼと、
を備える、デバイス。
【請求項３６】
請求項３５記載のデバイスにおいて、さらに、前記第１及び第２の核酸並びに前記第１及び第２のポリメラーゼを含む第１液体を前記第１及び第２の形体内又はその上方に流し込むチャンネルを備える、デバイス。
【請求項３７】
発光性造影法に使用する方法であって、
撮像ピクセルのアレイを準備するステップと、
前記撮像ピクセルのアレイ上方に配置されるフォトニック構造を準備するステップと、
前記フォトニック構造上方に配置される形体アレイを準備するステップであり、
該形体アレイのうち第１形体を前記撮像ピクセルのアレイにおける第１ピクセル上方に配置し、
該形体アレイのうち第２形体を前記第１ピクセル上方、かつ前記第１形体から空間的に変位した位置に配置する、
該形体アレイを準備するステップと、
前記第１形体内又はその上方に配置される第１発光団を準備するステップと、
前記第２形体内又はその上方に配置される第２発光団を準備するステップと、及び
放射線源により第１時点で第１特性を有する第１光子を発生するステップと、
前記放射線源により第２時点で第２特性を有する第２光子を発生するステップであり、前記第２特性は前記第１特性とは異なり、前記第２時点は第１時点とは異なるものである、該第２光子を発生するステップと、
前記第１ピクセルにより、前記第１時点での前記第１光子に応答して前記第１発光団が発する発光を選択的に受光するステップと、及び
前記第１ピクセルにより、前記第２時点での前記第２光子に応答して前記第２発光団が発する発光を選択的に受光するステップと、
を備える、方法。
【請求項３８】
請求項３７記載の方法において、前記第１特性を有する前記第１光子は、前記第１時点で前記フォトニック構造内に第１共鳴パターンを発生し、前記第１共鳴パターンは、前記第２発光団に比べて前記第１発光団を選択的に励起し、また
前記第２特性を有する前記第２光子は、前記第２時点で前記フォトニック構造内に第２共鳴パターンを発生し、前記第２共鳴パターンは、前記第１発光団に比べて前記第２発光団を選択的に励起する、方法。
【請求項３９】
請求項３７又は３８記載の方法において、前記撮像ピクセルのアレイ、前記フォトニック構造、及び前記形体アレイは、互いにモノリシックに集積される、方法。
【請求項４０】
請求項３７〜３９のうちいずれか一項記載の方法において、前記フォトニック構造はフォトニック結晶を備える、方法。
【請求項４１】
請求項３７〜３９のうちいずれか一項記載の方法において、前記フォトニック構造はフォトニック超格子を備える、方法。
【請求項４２】
請求項３７〜３９のうちいずれか一項記載の方法において、前記フォトニック構造はマイクロキャビティアレイを備える、方法。
【請求項４３】
請求項３７〜３９のうちいずれか一項記載の方法において、前記フォトニック構造はプラズモンナノアンテナのアレイを備える、方法。
【請求項４４】
請求項３７〜４３のうちいずれか一項記載の方法において、前記形体アレイは、複数個のウェルを備え、前記第１形体は、内部に第１発光団が配置される第１ウェルを有し、また前記第２形体は、内部に第２発光団が配置される第２ウェルを有する、方法。
【請求項４５】
請求項３７〜４３のうちいずれか一項記載の方法において、前記形体アレイは、複数個のポストを備え、前記第１形体は、上部に第１発光団が配置される第１ポストを有し、また前記第２形体は、上部に第２発光団が配置される第２ポストを有する、方法。
【請求項４６】
請求項３７〜４５のうちいずれか一項記載の方法において、前記第１及び第２の特性は、波長、偏光性、及び角度よりなるグループから独立的に選択されるものである、方法。
【請求項４７】
請求項３７〜４６のうちいずれか一項記載の方法において、前記第１特性は第１直線偏光性を備え、また前記第２特性は前記第１直線偏光性とは異なる第２直線偏光性を備える、方法。
【請求項４８】
請求項４７記載の方法において、前記第１直線偏光性は前記第２直線偏光性に対してほぼ直交する、方法。
【請求項４９】
請求項４７記載の方法において、前記第１直線偏光性は前記第２直線偏光性に対して約１５゜〜７５゜の間における角度だけ回転する、方法。
【請求項５０】
請求項３７〜４９のうちいずれか一項記載の方法において、前記第１特性は第１波長を備え、また第２特性は前記第１波長とは異なる第２波長を備える、方法。
【請求項５１】
請求項３７〜５０のうちいずれか一項記載の方法において、前記放射線源は光学的コンポーネントを備え、
前記方法は、さらに、前記光学的コンポーネントを制御して、前記第１光子に第１特性を付与し、また前記第２光子に前記第２特性を付与するステップを備える、方法。
【請求項５２】
請求項５１記載の方法において、前記光学的コンポーネントは、前記コントローラによる第１制御信号に応答して前記第１光子を第１直線偏光性になるまで回転させ、また前記コントローラによる第２制御信号に応答して前記第２光子を第２直線偏光性になるまで回転させる、複屈折材料を有する、方法。
【請求項５３】
請求項３７〜５２のうちいずれか一項記載の方法において、前記第１及び第２の光子の各々は、互いにほぼ同一角度で前記フォトニック構造を照射する、方法。
【請求項５４】
請求項３７〜５３のうちいずれか一項記載の方法において、前記第１及び第２の光子の各々は、前記フォトニック構造の大表面にほぼ垂直な角度で前記フォトニック構造を照射する、方法。
【請求項５５】
請求項３７〜５３のうちいずれか一項記載の方法において、前記第１及び第２の光子の各々は、前記フォトニック構造の大表面にほぼ平行な角度で前記フォトニック構造を照射する、方法。
【請求項５６】
請求項３７〜５５のうちいずれか一項記載の方法において、前記第２形体は前記第１形体から側方に変位している、方法。
【請求項５７】
請求項３７〜５６のうちいずれか一項記載の方法において、
前記形体アレイにおける第３形体は、前記第１ピクセルの上方、かつ前記第１及び第２の形体の各々から空間的に変位して配置され、
前記方法は、さらに、
前記第３形体内又はその上方に配置される第３発光団を準備するステップと、
第３時点で第３特性を有する第３光子を発生するステップであり、前記第３特性は前記第１及び第２の特性とは異なり、また前記第３時点は記第１及び第２の時点とは異なるものである、該第３光子を発生するステップと、及び
前記第１ピクセルによって、前記第３時点で前記第３光子に応答して第３発光団が発する発光を選択的に受光するステップと
を備える、方法。
【請求項５８】
請求項５７記載の方法において、
前記形体アレイにおける第４形体は、前記第１ピクセルの上方、かつ前記第１、第２及び第３の形体の各々から空間的に変位して配置され、
前記方法は、さらに、
前記第４形体内又はその上方に配置される第４発光団を準備するステップと、
第４時点で第４特性を有する第４光子を発生するステップであり、前記第４特性は前記第１、第２及び第３の特性とは異なり、前記第４時点は記第１、第２及び第３の時点とは異なるものである、該第４光子を発生するステップと、及び
前記第１ピクセルによって、前記第４時点で前記第４光子に応答して第４発光団が発する発光を選択的に受光するステップと
を備える、方法。
【請求項５９】
請求項５８記載の方法において、前記第１発光団は第１核酸に結合され、前記第２発光団は第２核酸に結合され、前記第３発光団は第３核酸に結合され、また前記第４発光団は第４核酸に結合される、方法。
【請求項６０】
請求項３７〜５６のうちいずれか一項記載の方法において、
前記形体アレイにおける第３形体は、前記撮像ピクセルのアレイにおける第２ピクセルの上方に配置され、
前記形体アレイにおける第４形体は、前記第２ピクセルの上方、かつ前記第３形体から空間的に変位した位置に配置され、
前記方法は、さらに、
前記第３形体内又はその上方に配置される第３発光団を準備するステップと、
前記第４形体内又はその上方に配置される第４発光団を準備するステップと、
前記第２ピクセルによって、前記第１時点で前記第１光子に応答して、又は前記第２時点で前記第２光子に応答して前記第３発光団が発する発光を選択的に受光するステップと、及び
前記第２ピクセルによって、前記第１時点で前記第１光子に応答して、又は前記第２時点で前記第２光子に応答して前記第４発光団が発する発光を選択的に受光するステップと
を備える、方法。
【請求項６１】
請求項６０記載の方法において、前記第１発光団は第１核酸に結合され、前記第２発光団は第２核酸に結合され、前記第３発光団は第３核酸に結合され、また前記第４発光団は第４核酸に結合される、方法。
【請求項６２】
請求項３７〜６１のうちいずれか一項記載の方法において、前記第１及び第２の形体の各々はほぼ円形断面を有する、方法。
【請求項６３】
請求項３７〜６２のうちいずれか一項記載の方法において、前記フォトニック構造は六角形格子を備え、また前記撮像ピクセルは矩形である、方法。
【請求項６４】
請求項３７〜６３のうちいずれか一項記載の方法において、前記第１及び第２の光子で前記フォトニック構造を一斉照明するステップを備える、方法。
【請求項６５】
請求項３７〜６４のうちいずれか一項記載の方法において、前記第１及び第２の光子をレーザーで発生するステップを備える、方法。
【請求項６６】
請求項３７〜６５のうちいずれか一項記載の方法において、前記第１及び第２の光子は独立的に約３００ｎｍ〜約８００ｎｍの間における波長を有する、方法。
【請求項６７】
請求項３７〜６６のうちいずれか一項記載の方法において、前記第１発光団は第１核酸に結合され、また前記第２発光団は第２核酸に結合される、方法。
【請求項６８】
請求項３７〜６７のうちいずれか一項記載の方法において、さらに、前記形体アレイに接触する少なくとも１個のマイクロ流体形体を準備するステップと、及び前記少なくとも１個のマイクロ流体形体によって、１つ又はそれ以上の検体のフローを前記第１及び第２の形体に流すステップと、を備える、方法。
【請求項６９】
請求項３７〜６８のうちいずれか一項記載の方法において、前記第１発光団はシークエンシングすべき第１ポリヌクレオチドに結合され、また前記第２発光団はシークエンシングすべき第２ポリヌクレオチドに結合される、方法。
【請求項７０】
請求項６９記載の方法において、前記第１ポリヌクレオチドは前記第１形体に結合され、また前記第２ポリヌクレオチドは前記第２形体に結合される、方法。
【請求項７１】
請求項６９又は７０記載の方法において、さらに、
前記第１ポリヌクレオチドに相補的であり、該第１ポリヌクレオチドに結合される第３ポリヌクレオチドに対して第１核酸を第１ポリメラーゼによって付加するステップであって、前記第１核酸は前記第１発光団に結合されているものである、該ステップと、
前記第２ポリヌクレオチドに相補的であり、該第２ポリヌクレオチドに結合される第４ポリヌクレオチドに対して第２核酸を第２ポリメラーゼによって付加するステップであって、前記第２核酸は前記第２発光団に結合されているものである、該ステップと、
を備える、方法。
【請求項７２】
請求項７１記載の方法において、さらに、チャンネルによって、前記第１及び第２の核酸並びに前記第１及び第２のポリメラーゼを含む第１液体を前記第１及び第２の形体内又はその上方に流し込むステップを備える、方法。
【請求項７３】
発光性造影法に使用するデバイスであって、
撮像ピクセルのアレイと、
前記撮像ピクセルのアレイ上方に配置されるフォトニック構造と、
前記フォトニック構造上方に配置される形体アレイであり、
該形体アレイのうち第１形体は前記撮像ピクセルのアレイにおける第１ピクセル上方に配置され、
該形体アレイのうち第２形体は前記第１ピクセル上方、かつ前記第１形体から空間的に変位した位置に配置される、
該形体アレイと、
を備え、
前記フォトニック構造は、第２偏光性の光に比べると第１偏光性の光で前記第１形体を選択的に照射するようチューニングされ、また
前記フォトニック構造は、第１偏光性の光に比べると第２偏光性の光で前記第２形体を選択的に照射するようチューニングされる、デバイス。
【請求項７４】
請求項７３記載のデバイスにおいて、さらに、第１時点で前記第１偏光性を有する第１光子を発生するよう構成され、また第２時点で前記第２偏光性を有する第２光子を発生するよう構成されている放射線源を備える、デバイス。
【請求項７５】
請求項７３又は７５記載のデバイスにおいて、さらに、前記第１形体内又はその上方に配置された第１発光団と、及び前記第２形体内又はその上方に配置された第２発光団とを備える、デバイス。
【請求項７６】
請求項７３〜７４のうちいずれか一項記載のデバイスにおいて、さらに、前記第１形体内又はその上方に配置された第１標的検体と、及び前記第２形体内又はその上方に配置された第２標的検体とを備え、前記第１標的検体は前記第２標的検体とは異なる、デバイス。
【請求項７７】
請求項７６記載のデバイスにおいて、さらに、前記第１及び第２の標的検体は、異なる配列を有する核酸を含む、デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、「PHOTONIC STRUCTURE-BASED DEVICE AND DOMPOSITIONS FOR USE IN LUMINESCENT IMAGING OF MULTIPLE SITES WITHIN A PIXCEL, AND METHODS OF USING THE SAME」と題する、２０１６年４月２２日出願の米国仮出願第６２／３２６，５６８号の恩恵を請求するものであり、これは参照により内容全体が本明細書に組み入れられるものとする。
【０００２】
本件出願は発光性造影法（luminescent imaging）に関する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
業界リーダーが開発した若干のシークエンシング（配列決定）ツールは、ＤＮＡ又はＲＮＡシークエンス（配列）のようなポリヌクレオチドを決定する上で様々な「シークエンシング・バイ・シンセシス（ＳＢＳ）」による化学的構造に頼っている。シークエンシングは、ヌクレオチド又は同一ヌクレオチドの限局性クラスターをそれぞれの蛍光マーカーが発する波長によって同定するため、蛍光顕微鏡法システムのような発光性造影法を使用することを伴う。開発中の幾つかのＳＢＳ化学的構造は僅かな単一染料を必要とするが、複数の蛍光染料（４つまでの）がＤＮＡにおけるＡ、Ｇ、Ｃ及びＴヌクレオチドのようなポリヌクレオチド内のヌクレオチドを一意的に同定するよう、複数の蛍光染料（４つまでの）が商業的システムで一般的に使用されている。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の実施形態は、ピクセル内における複数部位の発光性造影法に使用するためのフォトニック構造をベースとしたデバイス及び組成物、並びにその使用方法を提供する。
【０００５】
本発明の一態様として、発光性造影法に使用するデバイスを提供する。本発明デバイスは、撮像ピクセルのアレイと、前記撮像ピクセルのアレイ上方に配置されるフォトニック構造と、を備えることができる。本発明デバイスは、さらに、前記フォトニック構造上方に配置される形体のアレイ（以下、「形体アレイ」と称する）を備えることができる。該形体アレイのうち第１形体は前記撮像ピクセルのアレイにおける第１ピクセル上方に配置され、該形体アレイのうち第２形体は前記第１ピクセル上方、かつ前記第１形体から空間的に変位した位置に配置されることができる。第１発光団は前記第１形体内又はその上方に配置されることができ、また第２発光団は前記第２形体内又はその上方に配置されることができる。本発明デバイスは、さらに、第１時点で第１特性を有する第１光子を発生するよう構成され、また第２時点で第２特性を有する第２光子を発生するよう構成されている放射線源を備えることができる。前記第２特性は前記第１特性とは異なり、前記第２時点は第１時点とは異なるものであり得る。前記第１ピクセルは、前記第１時点での前記第１光子に応答して前記第１発光団が発する発光を選択的に受光し、また前記第２時点での前記第２光子に応答して前記第２発光団が発する発光を選択的に受光することができる。
【０００６】
随意的に、前記第１特性を有する前記第１光子は、前記第１時点で前記フォトニック構造内に第１共鳴パターンを発生し、前記第１共鳴パターンは、前記第２発光団に比べて前記第１発光団を選択的に励起する。随意的に、前記第２特性を有する前記第２光子は、前記第２時点で前記フォトニック構造内に第２共鳴パターンを発生し、前記第２共鳴パターンは、前記第１発光団に比べて前記第２発光団を選択的に励起することができる。
【０００７】
付加的又は代案的に、前記撮像ピクセルのアレイ、前記フォトニック構造、及び前記形体アレイは、随意的に、互いにモノリシックに集積されている。
【０００８】
付加的又は代案的に、前記フォトニック構造は、随意的に、フォトニック結晶、フォトニック超格子、マイクロキャビティアレイ、又はプラズモンナノアンテナを有することができる。
【０００９】
付加的又は代案的に、前記形体アレイは、随意的に、複数個のウェルを備えることができる。前記第１形体は、内部に第１発光団が配置される第１ウェルを有し、また前記第２形体は、内部に第２発光団が配置される第２ウェルを有することができる。代案的に、前記形体アレイは、複数個のポストを備え、前記第１形体は、上部に第１発光団が配置される第１ポストを有し、また前記第２形体は、上部に第２発光団が配置される第２ポストを有することができる。
【００１０】
付加的又は代案的に、前記第１及び第２の特性は、波長、偏光性、及び角度よりなるグループから独立的に選択される。例えば、前記第１特性は第１直線偏光性を備え、また前記第２特性は、随意的に、前記第１直線偏光性とは異なる第２直線偏光性を備える。随意的に、前記第１直線偏光性は前記第２直線偏光性に対してほぼ直交する、又は随意的に、前記第１直線偏光性は前記第２直線偏光性に対して約１５゜〜７５゜の間における角度だけ回転している。付加的又は代案的に、前記第１特性は随意的に第１波長を備え、また第２特性は随意的に前記第１波長とは異なる第２波長を備える。
【００１１】
付加的又は代案的に、前記放射線源は随意的に光学的コンポーネントを備える。随意的に、本発明デバイスは、さらに、前記光学的コンポーネントに接続されたコントローラであって、前記光学的コンポーネントを制御して前記第１光子に第１特性を付与するよう構成され、また前記第２光子に前記第２特性を付与するよう構成された、該コントローラを備える。随意的に、前記光学的コンポーネントは、前記コントローラによる第１制御信号に応答して前記第１光子を第１直線偏光性になるまで回転させるよう構成され、また前記コントローラによる第２制御信号に応答して前記第２光子を第２直線偏光性になるまで回転させるよう構成された、複屈折材料を有する。
【００１２】
付加的又は代案的に、前記第１及び第２の光子の各々は、随意的に互いにほぼ同一角度で前記フォトニック構造を照射する。付加的又は代案的に、前記第１及び第２の光子の各々は、随意的に前記フォトニック構造の大表面にほぼ垂直な角度で前記フォトニック構造を照射する。付加的又は代案的に、前記第１及び第２の光子の各々は、随意的に前記フォトニック構造の大表面にほぼ平行な角度で前記フォトニック構造を照射する。
【００１３】
付加的又は代案的に、前記第２形体は随意的に前記第１形体から側方に変位している。
【００１４】
付加的又は代案的に、前記形体アレイにおける第３形体は、随意的に、前記第１ピクセルの上方、かつ前記第１及び第２の形体の各々から空間的に変位して配置される。本発明デバイスは、さらに随意的に、前記第３形体内又はその上方に配置された第３発光団を備えることができる。前記放射線源は、随意的に、第３時点で第３特性を有する第３光子を発生するよう構成されることができる。随意的に、前記第３特性は前記第１及び第２の特性とは異なり、また前記第３時点は記第１及び第２の時点とは異なるものであり得る。随意的に、前記第１ピクセルは、前記第３時点で前記第３光子に応答して第３発光団が発する発光を選択的に受光する。付加的又は代案的に、前記形体アレイにおける第４形体は、随意的に、前記第１ピクセルの上方、かつ前記第１、第２及び第３の形体の各々から空間的に変位して配置される。本発明デバイスは、随意的にさらに、前記第４形体内又はその上方に配置された第４発光団を備える。前記放射線源は、随意的に、第４時点で第４特性を有する第４光子を発生するよう構成される。随意的に、前記第４特性は前記第１、第２及び第３の特性とは異なり、前記第４時点は記第１、第２及び第３の時点とは異なるものであり得る。前記第１ピクセルは、随意的に、前記第４時点で前記第４光子に応答して第４発光団が発する発光を選択的に受光する。随意的に、前記第１発光団は第１核酸に結合され、前記第２発光団は第２核酸に結合され、前記第３発光団は第３核酸に結合され、また前記第４発光団は第４核酸に結合される。
【００１５】
付加的又は代案的に、前記形体アレイにおける第３形体は、随意的に前記撮像ピクセルのアレイにおける第２ピクセルの上方に配置され、また前記形体アレイにおける第４形体は、随意的に前記第２ピクセルの上方、かつ前記第３形体から空間的に変位した位置に配置される。本発明デバイスは、随意的にさらに、前記第３形体内又はその上方に配置された第３発光団と、及び前記第４形体内又はその上方に配置された第４発光団とを備える。随意的に、前記第２ピクセルは、前記第１時点で前記第１光子に応答して、又は前記第２時点で前記第２光子に応答して前記第３発光団が発する発光を選択的に受光する。随意的に、前記第２ピクセルは、前記第１時点で前記第１光子に応答して、又は前記第２時点で前記第２光子に応答して前記第４発光団が発する発光を選択的に受光する。随意的に、前記第１発光団は第１核酸に結合され、前記第２発光団は第２核酸に結合され、前記第３発光団は第３核酸に結合され、また前記第４発光団は第４核酸に結合される。
【００１６】
付加的又は代案的に、前記第１及び第２の形体の各々は、随意的にほぼ円形断面を有する。付加的又は代案的に、前記フォトニック構造は随意的に六角形格子を備え、また随意的に、前記撮像ピクセルは矩形である。
【００１７】
付加的又は代案的に、前記放射線源は、随意的に、前記第１及び第２の光子で前記フォトニック構造を一斉照明するよう構成される。付加的又は代案的に、前記放射線源はレーザーを有する。付加的又は代案的に、随意的に、前記第１及び第２の光子は、独立的に約３００ｎｍ〜約８００ｎｍの間における波長を有する。
【００１８】
付加的又は代案的に、前記第１発光団は随意的に第１核酸に結合され、また前記第２発光団は随意的に第２核酸に結合される。付加的又は代案的に、本発明デバイスは、随意的に、前記形体アレイに接触する少なくとも１個のマイクロ流体形体であって、１つ又はそれ以上の検体のフローを前記第１及び第２の形体に供給するよう構成された、該少なくとも１個のマイクロ流体形体を備える。
【００１９】
付加的又は代案的に、前記第１発光団は随意的にシークエンシングすべき第１ポリヌクレオチドに結合され、また前記第２発光団は随意的にシークエンシングすべき第２ポリヌクレオチドに結合される。随意的に、前記第１ポリヌクレオチドは前記第１形体に結合され、また随意的に、前記第２ポリヌクレオチドは前記第２形体に結合される。付加的又は代案的に、本発明デバイスは、随意的にさらに、前記第１ポリヌクレオチドに相補的であり、該第１ポリヌクレオチドに結合される第３ポリヌクレオチドに対して第１核酸を付加する第１ポリメラーゼを備える。前記第１核酸は、随意的に、前記第１発光団に結合され得る。本発明デバイスは、随意的にさらに、前記第２ポリヌクレオチドに相補的であり、該第２ポリヌクレオチドに結合される第４ポリヌクレオチドに対して第２核酸を付加する第２ポリメラーゼを備える。前記第２核酸は、随意的に、前記第２発光団に結合されているものであり得る。随意的に、本発明デバイスは、さらに、前記第１及び第２の核酸並びに前記第１及び第２のポリメラーゼを含む第１液体を前記第１及び第２の形体内又はその上方に流し込むチャンネルを備えることができる。
【００２０】
本発明の他の態様によれば、発光性造影法に使用する方法を提供する。本発明方法は、撮像ピクセルのアレイを準備するステップと、及び前記撮像ピクセルのアレイ上方に配置されるフォトニック構造を準備するステップと、を備えることができる。本発明方法は、さらに、前記フォトニック構造上方に配置される形体アレイを準備するステップを備えることができる。該形体アレイのうち第１形体を前記撮像ピクセルのアレイにおける第１ピクセル上方に配置することができ、該形体アレイのうち第２形体を前記第１ピクセル上方、かつ前記第１形体から空間的に変位した位置に配置することができる。本発明方法は、さらに、前記第１形体内又はその上方に配置される第１発光団を準備するステップと、及び前記第２形体内又はその上方に配置される第２発光団を準備するステップと、を備えることができる。本発明方法は、さらに、放射線源により第１時点で第１特性を有する第１光子を発生するステップと、及び前記放射線源により第２時点で第２特性を有する第２光子を発生するステップと、を備える。前記第２特性は前記第１特性とは異なり、前記第２時点は第１時点とは異なるものであり得る。本発明方法は、さらに、前記第１ピクセルにより、前記第１時点での前記第１光子に応答して前記第１発光団が発する発光を選択的に受光するステップと、及び前記第１ピクセルにより、前記第２時点での前記第２光子に応答して前記第２発光団が発する発光を選択的に受光するステップと、を備えることができる。
【００２１】
随意的に、前記第１特性を有する前記第１光子は、前記第１時点で前記フォトニック構造内に第１共鳴パターンを発生し、前記第１共鳴パターンは、前記第２発光団に比べて前記第１発光団を選択的に励起する。随意的に、前記第２特性を有する前記第２光子は、前記第２時点で前記フォトニック構造内に第２共鳴パターンを発生し、前記第２共鳴パターンは、前記第１発光団に比べて前記第２発光団を選択的に励起する。
【００２２】
付加的又は代案的に、前記撮像ピクセルのアレイ、前記フォトニック構造、及び前記形体アレイは、随意的に互いにモノリシックに集積される。
【００２３】
付加的又は代案的に、前記フォトニック構造は、随意的に、フォトニック結晶、フォトニック超格子、マイクロキャビティアレイ、又はプラズモンナノアンテナのアレイを備える。
【００２４】
付加的又は代案的に、前記形体アレイは、随意的に複数個のウェルを備える。前記第１形体は、随意的に内部に第１発光団が配置される第１ウェルを有することができ、また前記第２形体は、内部に第２発光団が配置される第２ウェルを有することができる。代案的に、前記形体アレイは、複数個のポストを備えることができる。前記第１形体は、随意的に上部に第１発光団が配置される第１ポストを有することができ、また前記第２形体は、随意的に上部に第２発光団が配置される第２ポストを有することができる。
【００２５】
付加的又は代案的に、前記第１及び第２の特性は、随意的に、波長、偏光性、及び角度よりなるグループから独立的に選択され得る。例えば、前記第１特性は第１直線偏光性を備え、また前記第２特性は前記第１直線偏光性とは異なる第２直線偏光性を備えることができる。随意的に、前記第１直線偏光性は前記第２直線偏光性に対してほぼ直交することができる、又は前記第１直線偏光性は前記第２直線偏光性に対して約１５゜〜７５゜の間における角度だけ回転することができる。付加的又は代案的に、前記第１特性は随意的に第１波長を備え、また第２特性は随意的に前記第１波長とは異なる第２波長を備える。
【００２６】
付加的又は代案的に、前記放射線源は随意的に光学的コンポーネントを備える。本発明方法は、随意的にさらに、前記光学的コンポーネントを制御して、前記第１光子に第１特性を付与し、また前記第２光子に前記第２特性を付与するステップを備える。随意的に、前記光学的コンポーネントは、前記コントローラによる第１制御信号に応答して前記第１光子を第１直線偏光性になるまで回転させ、また前記コントローラによる第２制御信号に応答して前記第２光子を第２直線偏光性になるまで回転させる、複屈折材料を有する。
【００２７】
付加的又は代案的に、前記第１及び第２の光子の各々は、随意的に互いにほぼ同一角度で前記フォトニック構造を照射する。付加的又は代案的に、前記第１及び第２の光子の各々は、随意的に前記フォトニック構造の大表面にほぼ垂直な角度で前記フォトニック構造を照射する、又は前記第１及び第２の光子の各々は、随意的に前記フォトニック構造の大表面にほぼ平行な角度で前記フォトニック構造を照射する。
【００２８】
付加的又は代案的に、前記第２形体は、随意的に前記第１形体から側方に変位している。
【００２９】
付加的又は代案的に、前記形体アレイにおける第３形体は、随意的に前記第１ピクセルの上方、かつ前記第１及び第２の形体の各々から空間的に変位して配置される。随意的に、本発明方法は、さらに、前記第３形体内又はその上方に配置される第３発光団を準備するステップと、及び第３時点で第３特性を有する第３光子を発生するステップと、を備える。前記第３特性は随意的に前記第１及び第２の特性とは異なり、また前記第３時点は記第１及び第２の時点とは異なるものであり得る。本発明方法は、随意的にさらに、前記第１ピクセルによって、前記第３時点で前記第３光子に応答して第３発光団が発する発光を選択的に受光するステップを備える。随意的に、前記形体アレイにおける第４形体は、前記第１ピクセルの上方、かつ前記第１、第２及び第３の形体の各々から空間的に変位して配置される。本発明方法は、随意的にさらに、前記第４形体内又はその上方に配置される第４発光団を準備するステップと、及び第４時点で第４特性を有する第４光子を発生するステップとを備える。前記第４特性は随意的に前記第１、第２及び第３の特性とは異なり、前記第４時点は記第１、第２及び第３の時点とは異なるものであり得る。本発明方法は、随意的にさらに、前記第１ピクセルによって、前記第４時点で前記第４光子に応答して第４発光団が発する発光を選択的に受光するステップを備えることができる。随意的に、前記第１発光団は第１核酸に結合され、前記第２発光団は第２核酸に結合され、前記第３発光団は第３核酸に結合され、また前記第４発光団は第４核酸に結合される。
【００３０】
付加的又は代案的に、前記形体アレイにおける第３形体は、随意的に前記撮像ピクセルのアレイにおける第２ピクセルの上方に配置され、また前記形体アレイにおける第４形体は、前記第２ピクセルの上方、かつ前記第３形体から空間的に変位した位置に配置される。本発明方法は、随意的にさらに、前記第３形体内又はその上方に配置される第３発光団を準備するステップと、前記第４形体内又はその上方に配置される第４発光団を準備するステップと、を備える。本発明方法は、随意的にさらに、前記第２ピクセルによって、前記第１時点で前記第１光子に応答して、又は前記第２時点で前記第２光子に応答して前記第３発光団が発する発光を選択的に受光するステップと、及び前記第２ピクセルによって、前記第１時点で前記第１光子に応答して、又は前記第２時点で前記第２光子に応答して前記第４発光団が発する発光を選択的に受光するステップとを備える。随意的に、前記第１発光団は第１核酸に結合され、前記第２発光団は第２核酸に結合され、前記第３発光団は第３核酸に結合され、また前記第４発光団は第４核酸に結合される、方法。
【００３１】
付加的又は代案的に、前記第１及び第２の形体の各々は、随意的にほぼ円形断面を有する。付加的又は代案的に、前記フォトニック構造は随意的に六角形格子を備え、また前記撮像ピクセルは随意的に矩形である。
【００３２】
付加的又は代案的に、本発明方法は、随意的に前記第１及び第２の光子で前記フォトニック構造を一斉照明するステップを備える。付加的又は代案的に、本発明方法は、随意的に前記第１及び第２の光子をレーザーで発生するステップを備える。付加的又は代案的に、随意的に前記第１及び第２の光子は独立的に約３００ｎｍ〜約８００ｎｍの間における波長を有する。
【００３３】
付加的又は代案的に、前記第１発光団は随意的に第１核酸に結合され、また前記第２発光団は随意的に第２核酸に結合される。付加的又は代案的に、本発明方法は、随意的にさらに、前記形体アレイに接触する少なくとも１個のマイクロ流体形体を準備するステップと、及び前記少なくとも１個のマイクロ流体形体によって、１つ又はそれ以上の検体のフローを前記第１及び第２の形体に流すステップと、を備える。
【００３４】
付加的又は代案的に、前記第１発光団は随意的にシークエンシングすべき第１ポリヌクレオチドに結合され、また前記第２発光団は随意的にシークエンシングすべき第２ポリヌクレオチドに結合される。随意的に、前記第１ポリヌクレオチドは前記第１形体に結合され、また前記第２ポリヌクレオチドは前記第２形体に結合される。付加的又は代案的に、本発明方法は、随意的にさらに、前記第１ポリヌクレオチドに相補的であり、該第１ポリヌクレオチドに結合される第３ポリヌクレオチドに対して第１核酸を第１ポリメラーゼによって付加するステップを備える。前記第１核酸は随意的に前記第１発光団に結合され得る。本発明方法は、随意的にさらに、前記第２ポリヌクレオチドに相補的であり、該第２ポリヌクレオチドに結合される第４ポリヌクレオチドに対して第２核酸を第２ポリメラーゼによって付加するステップを備える。前記第２核酸は随意的に前記第２発光団に結合され得る。随意的に、本発明方法は、さらに、チャンネルによって、前記第１及び第２の核酸並びに前記第１及び第２のポリメラーゼを含む第１液体を前記第１及び第２の形体内又はその上方に流し込むステップを備える。
【００３５】
本発明の他の態様によれば、発光性造影法に使用するデバイスを提供する。本発明デバイスは、撮像ピクセルのアレイと、及び前記撮像ピクセルのアレイ上方に配置されるフォトニック構造と、を備えることができる。本発明デバイスは、さらに、前記フォトニック構造上方に配置される形体アレイを備えることができる。該形体アレイのうち第１形体は前記撮像ピクセルのアレイにおける第１ピクセル上方に配置され、また該形体アレイのうち第２形体が前記第１ピクセル上方、かつ前記第１形体から空間的に変位した位置に配置されることができる。前記フォトニック構造は、第２偏光性の光に比べると第１偏光性の光で前記第１形体を選択的に照射するようチューニングされることができる。前記フォトニック構造は、第１偏光性の光に比べると第２偏光性の光で前記第２形体を選択的に照射するようチューニングされることができる。
【００３６】
随意的に、本発明デバイスは、さらに、第１時点で前記第１偏光性を有する第１光子を発生するよう構成され、また第２時点で前記第２偏光性を有する第２光子を発生するよう構成されている放射線源を備える。
【００３７】
付加的又は代案的に、本発明デバイスは、随意的にさらに、前記第１形体内又はその上方に配置された第１発光団と、及び前記第２形体内又はその上方に配置された第２発光団とを備える。
【００３８】
付加的又は代案的に、本発明デバイスは、随意的にさらに、前記第１形体内又はその上方に配置された第１標的検体と、及び前記第２形体内又はその上方に配置された第２標的検体とを備える。前記第１標的検体は随意的に前記第２標的検体とは異なるものであり得る。前記第１及び第２の標的検体は、随意的に異なる配列を有する核酸を含む。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】図１Ａは、ピクセル内部位の発光性造影法に使用する例示的なフォトニック構造をベースとするデバイスの斜視図を概略的に示す。図１Ｂは、図１Ａに示すようなデバイスのアレイ内における例示的な部位アレイの斜視図を概略的に示す。図１Ｃは、図１Ａに示すような例示的なデバイスの断面図を概略的に示す。
【図２】図２Ａは、図１Ｂに示した部位アレイの例示的励起の斜視図を概略的に示す。図２Ｂは、図２Ａに示すような励起に応答する、図１Ａ及び１Ｃに示すようなデバイスアレイ内での例示的にシミュレートした場強度を概略的に示す。
【図３】図３Ａは、本明細書で提示するような、複数部位が１ピクセルに対応する例示的部位アレイの斜視図を概略的に示す。図３Ｂは、本明細書で提示する、また複数部位が図３Ａに示すようなピクセルに対応しているデバイスの断面図を概略的に示す。
【図４】図４Ａは、本明細書で提示するような走査合焦ビーム照射を用いて図３Ａに示す部位アレイのうち選択した部位における例示的励起の斜視図を概略的に示す。図４Ｂは、本明細書で提示するような多重レーザー干渉照射を用いて図３Ａに示す部位アレイのうち選択した部位における例示的励起の斜視図を概略的に示す。
【図５】本明細書で提示する、また図３Ａ〜３Ｂに示すようなデバイスに設けることができる例示的フォトニック構造を概略的に示す。
【図６】Ａ〜Ｄは、異なる時点で互いに異なる特性を有する光子をそれぞれ発生する放射線源に関して例示的にシミュレートした、図５に示すようなフォトニック構造内での場強度を概略的に示す。
【図７】図７Ａは、本明細書で提示し、また図３Ａ〜３Ｂに示すような１ピクセルあたり第１及び第２の部位（例えば、クラスター）を含んでいる、例示的なフォトニック構造をベースとするデバイスの平面図を概略的に示す。図７Ｂは、本明細書で提示し、また図７Ａ及び図３Ａ〜３Ｂに示すようなデバイスアレイ内における、第１時点で第１部位を選択的に励起する第１特性を有する光子を発生する放射線源に関して例示的にシミュレートした場強度を概略的に示す。図７Ｃは、本明細書で提示し、また図７Ａ及び図３Ａ〜３Ｂに示すようなデバイスアレイ内における、第２時点で第２部位を選択的に励起する第２特性を有する光子を発生する放射線源に関して例示的にシミュレートした場強度を概略的に示す。図７Ｄは、本明細書で提示し、またそれぞれ図７Ｂ及び７Ｃに示すような第１及び第２の部位（例えば、クラスター）の選択的励起から生ずる、例示的なクロストーク事象（ターム）を概略的に示す。
【図８】図８Ａは、本明細書で提示する、また図３Ａ〜３Ｂに示すような１ピクセルあたり第１、第２及び第３の部位（例えば、クラスター）を含んでいる、例示的なフォトニック構造をベースとするデバイスの平面図を概略的に示す。図８Ｂは、本明細書で提示する、また図８Ａ及び図３Ａ〜３Ｂに示すようなデバイスアレイ内における、第１時点で第１部位を選択的に励起する第１特性を有する光子を発生する放射線源に関して例示的にシミュレートした場強度を概略的に示す。図８Ｃは、本明細書で提示する、また図８Ａ及び図３Ａ〜３Ｂに示すようなデバイスアレイ内における、第２時点で第２部位を選択的に励起する第２特性を有する光子を発生する放射線源に関して例示的にシミュレートした場強度を概略的に示す。図８Ｄは、本明細書で提示する、また図８Ａ及び図３Ａ〜３Ｂに示すようなデバイスアレイ内における、第３時点で第３部位を選択的に励起する第３特性を有する光子を発生する放射線源に関して例示的にシミュレートした場強度を概略的に示す。図８Ｅは、本明細書で提示する、またそれぞれ図８Ｂ〜８Ｄに示すような第１、第２及び第３の部位の選択的励起から生ずる、例示的なクロストーク事象（ターム）を概略的に示す。
【図９】Ａ〜Ｄは、それぞれ本明細書で提示する、また図３Ａ〜３Ｂに示すようなデバイスアレイ内で、異なる時点で異なる特性を有する光子を発生する放射線源を用いての第１、第２、第３、及び第４部位の例示的選択的励起の斜視図を概略的に示す。
【図１０】発光性造影法に使用する本明細書で提示する方法におけるステップの例示的フローチャートを示す。
【図１１】本明細書で提示するデバイス又は組成物を調製するのに使用できるステップの例示的シーケンス（順序）を示す。
【図１２】本明細書で提示するデバイス又は組成物を調製するのに使用できるステップの例示的シーケンス（順序）を示す。
【図１３】本明細書で提示する発光性造影法に用いる例示的デバイスを示す。
【発明を実施するための形態】
【００４０】
本発明の実施形態は、ピクセル内における複数部位の発光性造影法に使用するためのフォトニック構造をベースとしたデバイス及び組成物、並びにその使用方法を提供する。
【００４１】
先ず、幾つかの例示的用語を定義した後、本発明による発光性造影法に使用するためのフォトニック構造をベースとした（フォトニック構造ベース）デバイス及び組成物、並びにその使用方法の例示的実施形態をさらに説明していく。
【００４２】
本明細書で使用する用語「フォトニック構造（photonic structure）」は、１つ又はそれ以上の光透過性材料を含み、例えば波長、角度及び偏光性の点で特定特性を有する放射線伝播に対して選択的に影響を与える周期的構造体を意味する。例えば、フォトニック構造は、例えば波長、角度及び偏光性の点でこのような特性を有する放射線を、該構造透過で又は同一角度若しくは異なる角度で該構造から出射するよう選択的に伝播することができ、またこのような放射線の場強度は、フォトニック構造内で選択パターンを有することができる。さらに、この構造は、例えば異なる波長、角度及び偏光性の点で異なる特性を有する放射線の、該構造透過で若しくは異なる角度で該構造から出射する選択的伝播を抑止することができる、及び／又はこのような放射線の場強度がフォトニック構造内で異なる選択パターンを有することができる。フォトニック構造の材料は、１つ又はそれ以上の次元に、例えば１次元、２次元、又は３次元に分布された形体（features）を有することができる。フォトニック構造における形体の形状、サイズ及び分布、並びに材料の屈折率は、該フォトニック構造透過で若しくはフォトニック構造から角度をなして透過伝播することができる特定放射線特性、例えば、波長、角度若しくは偏光性を選択するよう、及び／又はフォトニック構造内におけるこのような放射線の場強度パターンを選択するようチューニングすることができる。代表的なフォトニック構造としては、以下に限定しないが、フォトニック結晶、フォトニック超格子、マイクロキャビティ（微小空洞）アレイ、プラズモン（プラズマ振動量子）ナノアンテナがある。
【００４３】
本明細書で使用する用語「フォトニック結晶（photonic crystal）」、「ＰhＣ」、「フォトニック格子（photonic lattice）」、「フォトニック結晶格子（photonic crystal lattice）」、及び「ＰhＣ格子（PhC lattice）」は、光波長のオーダーにおける屈折率の周期的変動を有する１つ又はそれ以上の材料を含むフォトニック構造を意味する。例えば、フォトニック結晶は、３次元に延在する、すなわち長さ、幅及び厚さを有する材料を含むことができる。この材料は、長さ及び幅によって定義される平面内にそれぞれ存在し、厚さ分だけ互いに離れる２つの大きな表面を有することができる。この材料は、例えば、波長、角度若しくは偏光性の特定特性を有する放射線がフォトニック結晶透過で若しくはフォトニック結晶から角度をなして出射するよう伝播することができるフォトニックバンド構造を画定するよう、及び／又はフォトニック結晶内におけるこのような放射線の場強度パターンを選択するよう、２つ又はそれ以上の次元でパターン形成することができる。このパターンとしては、例えば、材料内で、例えば、材料の一方又は双方の大表面にわたり画定されるウェル若しくはポストのような複数個の形体があり、形体内又は形体間には、例えば、ウェル内又はポスト間には材料が存在しないものとすることができる。形体内又は形体間の空間には、その材料とは異なるかつ互いに異なる屈折率をそれぞれが有することができる１つ又はそれ以上の付加的材料で充填することができる。フォトニック結晶透過で若しくはフォトニック結晶から角度をなして出射するよう伝播する又は伝播しない、例えば、波長、角度、又は偏光性のような放射線の特定特性は、材料及び形体内若しくは形体間に配置される任意な付加的材料の屈折率に基づく、並びに形体の形状、サイズ及び分布のような形体特性に基づくことができる。形体は、すべて互いに同一の形状、サイズ及び分布とすることができる。
【００４４】
本明細書で使用される用語「フォトニック超格子（photonic superlattice）」及び「ＰｈＣ超格子」は、例えば、第１及び第２の波長、角度又は偏光性のような第１及び第２の特性であって、第３の波長、角度又は偏光性のような第３の特性に比較される、該第１及び第２の特性を有する放射線の伝播に選択的に影響を与えるフォトニック構造を意味する。例えば、第１特性を有する放射線の場強度は第１パターンを有することができ、第２特性を有する放射線の場強度は第１パターンとは異なる第２パターンを有することができる。第３波長は電磁スペクトルで第１波長と第２波長との間に生起し得る。例えば、フォトニック超格子は、第１特性及び第２特性、例えば、第１及び第２の波長、角度又は偏光性を有する放射線が、フォトニック超格子透過で、又はフォトニック超格子から角度をなして出射するよう伝播するのを選択的に行うことができ、また第１及び第２の特性を有する放射線の場強度パターンが随意的に互いに異なるものであり得る。例えば、フォトニック超格子は、第１特性及び第２特性、例えば、第１及び第２の波長、角度又は偏光性を有する放射線が、フォトニック超格子透過で、又はフォトニック超格子から角度をなして出射するよう伝播するのを選択的に抑止することができる。例えば、フォトニック超格子は、第３特性、例えば、第３の波長、角度又は偏光性を有する放射線の、フォトニック超格子透過で、又はフォトニック超格子から角度をなして伝播するのを選択的に可能にする。例えば、フォトニック超格子は、第３特性、例えば、第３の波長、角度又は偏光性を有する放射線の、該構造透過で、又は該構造から角度をなして出射するよう伝播するのを選択的に抑止することができる。その材料は、１つ又はそれ以上の次元、例えば、１次元、２次元、又は３次元で分布されている形体を含むことができる。形体の形状、サイズ、及び分布、並びにその材料の屈折率は、フォトニック超格子透過で若しくはフォトニック超格子から角度をなして出射するよう伝播できる特定の放射線特性、例えば波長、角度、又は偏光性、並びにこのような特性の場強度パターンを選択するように、またフォトニック超格子透過で若しくはフォトニック超格子から角度をなして出射するような伝播をしない放射線の特定特性を選択するように、チューニングすることができる。
【００４５】
実例を挙げれば、フォトニック超格子は、３次元に延在する、例えば、長さ、幅、及び厚さを有する材料を含むことができる。この材料は、長さ及び幅によって定義される平面内にそれぞれ存在し、厚さ分だけ互いに離れる２つの大きな表面を有することができる。この材料は、例えば、波長、角度若しくは偏光性の少なくとも第１及び第２の特性を有する放射線が長さ及び幅で画定される平面内で若しくは該平面から角度をなして出射する伝播を可能にし、また少なくとも第３の特性、例えば、第３の波長、角度若しくは偏光性を有する放射線の該材料内での若しくは該材料から角度をなして出射するよう伝播するのを抑止するフォトニックバンド構造を画定するよう、２つ又はそれ以上の次元でパターン形成することができる。このパターンとしては、例えば、材料内で、例えば、材料の一方又は双方の大表面にわたり画定されるウェル若しくはポストのような複数個の形体があり、形体内又は形体間には、例えば、ウェル内又はポスト間には材料が存在しないものとすることができる。形体内又は形体間の空間には、その材料とは異なるかつ互いに異なる屈折率をそれぞれが有することができる１つ又はそれ以上の付加的材料で充填することができる。フォトニック超格子透過で若しくはフォトニック超格子から角度をなして出射するよう伝播する又は伝播しない、放射線の特定特性は、材料及び形体内若しくは形体間に配置される任意な付加的材料の屈折率に基づく、並びに形体の形状、サイズ及び分布のような形体特性に基づくことができる。幾つかの形体は、少なくとも１つの特性、例えば、形状、サイズ、又は分布の点で他の形体とは異なるものとすることができる。本発明デバイス、組成物及び方法に使用できる代表的フォトニック超格子の更なる詳細については、２０１６年３月２４日出願の「Photonic Superlattice-Based Devices and Compositions for Use in Luminescent Imaging, and Methods of Using the Same」と題された米国仮出願第６２／３１２，７０４号を参照されたく、この特許文献は参照により内容全体が本明細書に組み入れられるものとする。
【００４６】
本明細書で使用する「マイクロキャビティアレイ（microcavity array）」は、励起源の特性、例えば、励起源の波長、偏光性、又は角度を変化させることによって互いに独立して励起できる多重（少なくとも２つ、少なくとも３つ又は少なくとも４つの）共鳴を支援するフォトニック微小共鳴器の周期的２次元配列を意味する。本発明デバイス、組成物及び方法に使用できる代表的マイクロキャビティアレイに関する更なる詳細については、アルタグ氏らの非特許文献（Altug et al., “Polarization control and sensing with twodimensional coupled photonic crystal microcavity arrays,” Opt. Lett. 30: 1422-1428 (2011)）を参照されたく、この非特許文献は参照により内容全体が本明細書に組み入れられるものとする。
【００４７】
本明細書で使用する「プラズモンナノアンテナのアレイ（array of plasmonic nanoantennas）」は、励起源の特性、例えば、励起源の波長、偏光性、又は角度を変化させることによって互いに独立して励起できる多重（少なくとも２つ、少なくとも３つ又は少なくとも４つの）共鳴を支援するプラズモンナノ構造の周期的２次元配列を意味する。本発明デバイス、組成物及び方法に使用できる代表的プラズモンナノアンテナに関する更なる詳細については、レグミ氏らの非特許文献（Regmi et al., “Nanoscale volume confinement and fluorescence enhancement with double nanohole aperture,” Scientific Reports 5: 15852-1-5 (2015)）を参照されたく、この非特許文献は参照により内容全体が本明細書に組み入れられるものとする。
【００４８】
フォトニック構造における１つ又はそれ以上の材料は、随意的に、透明でありかつ電気絶縁体である流体、固体、半固体の材料を意味する「誘電体」である又はこの誘電体を含むことができる。流体誘電体の例としては、空気、窒素及びアルゴンのような気体、水、水溶液、及び有機溶剤のような液体がある。固体誘電体の例としては、ガラス（例えば、シリカのような無機ガラス、又は修飾若しくは機能化したガラス）及びポリマー（例えば、アクリル系、ポリスチレン、スチレン及び他の物質のコポリマー、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリブテン、ポリウレタン、テフロン（登録商標）、環状オレフィン、ポリイミド、又はナイロン）がある。半固体誘電体の例としては、ヒドロゲルのようなゲルがある。付加的又は代替的に、フォトニック構造における１つ又はそれ以上の材料は、随意的に透明である固体半導体材料とする又は含むことができる。
【００４９】
本明細書に使用する用語「ゲル（gel）」は、液体及び気体が浸透性を示す半固体又は半剛性材料を意味していることを意図する。一般的にゲル材料は、液体を吸収するとき膨張することができ、また液体が乾燥によって除去されるとき収縮することができる。代表的なゲルとしては、以下のものに限定しないが、アガロース又はヒドロゲルのようなコロイド構造、ゼラチンのような高分子メッシュ構造、ポリアクリルアミド、ＳＦＡ（例えば、参照により内容全体が本明細書に組み入れられるものとする特許文献である米国特許出願公開第２０１１／００５９８６５号参照）又はＰＡＺＡＭ（例えば、参照により内容全体が本明細書に組み入れられるものとする特許文献である米国特許出願公開第２０１４／００７９９２３号参照）のような架橋ポリマー構造があり得る。とくに有用なゲル材料は、存在する場合のウェル又は他の凹所の形状に順応する。
【００５０】
本明細書で使用する用語「ウェル（well）」は、表面の間質領域によって完全に囲まれる表面開口（開孔）を有する材料における離散的陥凹形体を意味する。ウェルは、サイズ（例えば、容積、直径及び深さ）、断面形状（例えば、円形、楕円形、三角形、方形、多角形、星形（任意の適当な数の頂点を有する）、不規則形状、誘電体によって分離した同心状ウェルを有している形状）、及び分布（誘電体内におけるウェルの空間的場所、例えば、規則的に離間した若しくは周期的な場所、又は不規則に離間した若しくは非周期的な場所）のような特性を有することができる。ウェルの断面は、必ずしもではないが、ウェルの長さに沿って均一であり得る。
【００５１】
本明細書で使用する用語「ポスト（post）」は、表面の間質領域によって完全に囲まれる材料表面から突出する離散的凸状形体を意味する。ポストは、サイズ（容積、直径及び深さ）、形状（例えば、円形、楕円形、三角形、方形、多角形、星形（任意の適当な数の頂点を有する）、不規則形状、誘電体によって分離した同心状ポストを有している）、及び分布（誘電体表面から突出するポストの空間的場所、例えば、規則的に離間した若しくは周期的な場所、又は不規則に離間した若しくは非周期的な場所）のような特性を有することができる。ポストの断面は、必ずしもではないが、ポストの長さに沿って均一であり得る。
【００５２】
本明細書で使用する用語「表面（surface）」は、他の材料と接触する材料の一部又は層を意味する。
【００５３】
本明細書で使用する用語「間質領域（interstitial region）」は、材料内又は表面上におけるエリアであって、材料又は表面のエリアを分離する区域を意味することを意図する。例えば、間質領域は、フォトニック構造における１つの形体をフォトニック構造における他の形体から分離することができる、又は間質領域は、アレイにおける１つの部位をアレイにおける他の部位から分離することができる。
【００５４】
本明細書に使用する用語「発光性の（luminescent）」は、冷体（cold body）放射線を発することを意味し、また用語「発光団（luminophore）」は、発光性を有する単位体（item）を意味する。用語「発光性の（luminescent）」は、熱の結果として材料から発せられる放射線である白熱とは明確に異なるものであることを意図する。概して、発光（luminescence）は、エネルギー源が原子の電子を最低エネルギー基底状態からより高いエネルギー励起状態に変位させ、次に電子が放射線形態でエネルギーを復元して基底状態に戻ることができるときに、結果として生ずる。とくに有用なタイプの発光性単位体は、励起放射線によってエネルギーが供給されるとき、冷体放射線を発する単位体である。このような単位体は、「光輝性の（photoluminescent）」あるものと称することができる。光輝性単位体の例としては、励起放射線を照射した後に比較的即座に冷体放射線を発する「蛍光性（fluorescent）」単位体、励起放射線を照射した後に比較的緩慢に冷体放射線を発する「リン光性（phosphorescent）」単位体がある。光輝性発光（フォトルミネセンス：photoluminescence）は、単位体を他の波長で照射する結果生ずる或る波長での単位体による放射線放出として知覚することができる。他の有用な発光性単位体は、エネルギーが化学反応又は生体反応によって供給されるとき冷体放射線を発する単位体である。このような単位体は、「化学発光性の（chemiluminescent）」あるものと称することができる。
【００５５】
多様な信号のうち任意なもの、例えば、放射線吸収、発光放出、発光寿命、発光偏光性、又はレイリー及び／若しくはミー散乱等のような光信号は、本明細書記載の方法によって検出することができる。本明細書記載の方法によって検出することができる代表的標識としては、以下のものに限定しないが、フルオロフォア（蛍光色素分子）、発光団、発色団、ナノ粒子（例えば、金、銀、カーボンナノチューブ）等がある。
【００５６】
本明細書に使用する用語「形体（feature）」は、固体支持体のような材料の構造又は組成物における明確に区別される特徴的な変化部分を意味する。随意的に、この変化部分は材料の構造又は組成物で反復されもする。形体の集合は、材料内又は材料上でアレイ又は格子を形成することができる。代表的形体としては、以下のものに限定しないが、ウェル、ポスト、隆起部、チャンネル、検体を担持する部位、多層材料の層、材料内又は材料上における他のエリアにおける化学的組成とは異なる化学的組成を有する材料内又は材料上におけるエリアがある。形体は、サイズ（例えば、容積、直径及び深さ）、形状（例えば、円形、楕円形、三角形、方形、多角形、星形（任意の適当な数の頂点を有する）、不規則形状、誘電体によって分離した同心状形体を有している形状）、及び分布（誘電体内における形体の空間的場所、例えば、規則的に離間した若しくは周期的な場所、又は不規則に離間した若しくは非周期的な場所）のような特性を有することができる。形体の断面は、必ずしもではないが、形体の長さに沿って均一であり得る。
【００５７】
本明細書で使用する用語「部位（site）」は、分子又は細胞（若しくは他の検体）の特別な種のアレイにおける場所を意味する。或る部位は、単一分子（若しくは細胞若しくは他の検体）のみを含むことができる、又は同一種における複数分子（若しくは細胞若しくは検体）の集団を含むことができる。幾つかの実施形態においては、部位は特定検体を付着させる前に材料上に存在する。他の実施形態において、部位は分子又は細胞（若しくは他の検体）を付着させることによって生ずる。アレイにおける部位は一般的には離散的である。離散的部位は、連続的である、又は部位相互間に間隔を有することができる。部位は、形体のタイプであると理解されたい。形体は格子、アレイ又はその双方の成分として機能することができる。
【００５８】
本明細書で使用する用語「アレイ（array）」は、関連場所に従って、互いに分化され得る部位の集団を意味する。
【００５９】
本明細書で使用する用語「ピッチ（pitch）」は、格子（例えば、フォトニック構造）又はアレイにおける形体につき使用されるとき、格子又はアレイにおける隣接形体の中心間間隔に言及しようとする。形体パターンは、平均ピッチの観点で特徴付けすることができる。パターンは平均ピッチ付近の変動係数が小さくなるようオーダー付けすることができる、又はパターンはランダムなものとすることができ、この場合、変動係数は比較的大きいものとなり得る。いずれの場合でも、平均ピッチは、例えば、スペクトルにおける１つ又はそれ以上の領域で少なくともほぼ光の波長のオーダーに関連することができる。例えば、ピッチは、可視スペクトル（約３８０〜７００ｎｍ）、ＵＶスペクトル（約３８０ｎｍ〜約１０ｎｍ未満）、及びＩＲスペクトル（約７００ｎｍ〜１ｍｍより大きい）における１つ又はそれ以上の波長に対応することができる。フォトニック構造において、形体は、異なる方向で互いに異なるピッチを有することができる。例えば、フォトニック超格子において、異なるタイプの形体は、互いに異なるピッチ及びパターンを有することができる。例えば、１つのタイプ（例えば、第１格子における）形体ピッチは、他タイプ（例えば、第２格子における）形体ピッチと異なることができる。
【００６０】
本明細書で使用する用語「ランダム（random）」は、空間的分布、例えば、表面上の場所の配列に言及するとき使用することができる。例えば、フォトニック構造又はフォトニック超格子における１つ又はそれ以上の形体（例えば、ウェル又はポスト）は、互いに同一タイプ又は相違するタイプとすることができる最も近接する近隣形体が、形体相互間で可変間隔を有するようランダムに間隔を空けることができる。代案として、互いに同一タイプ又は相違するタイプにおける形体間の間隔は直線格子又は六角格子のような規則的パターンを形成するようオーダー付けすることができる。
【００６１】
本明細書で使用する用語「ヌクレオチド（nucleotide）」又は「核酸（nucleic acid）」は、糖類及び少なくとも１つのリン酸基を含む、また随意的に核酸塩基も含む分子を意味しようとするものである。核酸塩基のないヌクレオチドは、「脱塩基」と称することができる。ヌクレオチドは、デオキシリボヌクレオチド、修飾デオキシリボヌクレオチド、リボヌクレオチド、修飾リボヌクレオチド、ペプチド?ヌクレオチド、修飾ペプチド?ヌクレオチド、修飾リン酸塩糖骨格ヌクレオチド、及びそれらの混合物がある。ヌクレオチドの例としては、アデノシン一リン酸（ＡＭＰ）、アデノシン二リン酸（ＡＤＰ）、アデノシン三リン酸（ＡＴＰ）、チミジソ一リン酸（ＴＭＰ）、チミジソ二リン酸（ＴＤＰ）、チミジソ三リン酸（ＴＴＰ）、シチジン一リン酸（ＣＭＰ）、シチジン二リン酸（ＣＤＰ）、シチジン三リン酸（ＣＴＰ）、グアノシン一リン酸（ＧＭＰ）、グアノシン二リン酸（ＧＤＰ）、グアノシン三リン酸（ＧＴＰ）、ウリジン一リン酸（ＵＭＰ）、ウリジン二リン酸（ＵＤＰ）、ウリジン三リン酸（ＵＴＰ）、デオキシアデノシン一リン酸（ｄＡＭＰ）、デオキシアデノシン二リン酸（ｄＡＤＰ）、デオキシアデノシン三リン酸（ｄＡＴＰ）、デオキシチミジソ一リン酸（ｄＴＭＰ）、デオキシチミジソ二リン酸（ｄＴＤＰ）、デオキシチミジソ三リン酸（ｄＴＴＰ）、デオキシシチジン二リン酸（ｄＣＤＰ）、デオキシシチジン三リン酸（ｄＣＴＰ）、デオキシグアノシン一リン酸（ｄＧＭＰ）、デオキシグアノシン二リン酸（ｄＧＤＰ）、デオキシグアノシン三リン酸（ｄＧＴＰ）、デオキシウリジン一リン酸（ｄＵＭＰ）、デオキシウリジン二リン酸（ｄＵＤＰ）、デオキシウリジン三リン酸（ｄＵＴＰ）、可逆的にブロックされたアデノシン三リン酸（ｒｂＡＴＰ）、可逆的にブロックされたチミジン三リン酸（ｒｂＴＴＰ）、可逆的にブロックされたシチジン三リン酸（ｒｂＣＴＰ）、及び可逆的にブロックされたグアノシン三リン酸（ｒｂＧＴＰ）がある。可逆的にブロックされたヌクレオチド三リン酸（ｒｂＮＴＰｓ）の更なる詳細については、特許文献である米国特許出願公開第２０１３／００７９２３２号を参照されたく、この特許文献は参照により内容全体が本明細書に組み入れられるものとする。
【００６２】
用語「ヌクレオチド」又は「核酸」は、さらに、修飾核酸塩基、糖類及び／又はリン酸塩部分を含むヌクレオチドのタイプである任意なヌクレオチド類似体を包含することを意図する。天然骨格又は類似体構造のどちらを有するかに係わらず、ポリヌクレオチドに含まれることがあり得る、代表的修飾核酸塩基としては、イノシン、キササニン（xathanine）、ヒポキササニン（hypoxathanine）、イソシトシン、イソグアニン、2-アミノプリン、5-メチルシトシン、5-ヒドロキシメチルシトシン、2-アミノアデニン、６-メチルアデニン、6-メチルグアニン、2-プロピルグアニン、2-プロピルアデニン、2-チオウラシル、2-チオチミン、2-チオシトシン、15-ハロウラシル、15-ハロシトシン、5-プロピニルウラシル、5-プロピニルシトシン、6-アゾウラシル、6-アゾシトシン、6-アゾチミン、5-ウラシル、4-チオウラシル、8-ハロアデニン又はグアニン、8-アミノアデニン又はグアニン、8-チオールアデニン又はグアニン、8-チオアルキルアデニン又はグアニン、8-ヒドロキシルアデニン又はグアニン、5-ハロ置換ウラシル又はシトシン、7-メチルグアニン、7-メチルアデニン、8-アザグアニン、8-アザアデニン、7-デアザグアニン、7-デアザアデニン、3-デアザグアニン、3-デアザアデニン、等がある。従来既知のように、若干のヌクレオチド類似体は、ポリヌクレオチド、例えば、アデノシン5’-ホスホ硫酸のようなヌクレオチド類似体内に組み込まれることにはなり得ない。
【００６３】
本明細書で使用する用語「ポリヌクレオチド（polynucleotide）」は、互いに結合されるヌクレオチド配列を含む分子に言及するものである。ポリヌクレオチドの例としては、デオキシリボ核酸（ＤＮＡ）、及びそれらの類似体がある。ポリヌクレオチドは、ＲＮＡ若しくは単鎖ＤＮＡのような単鎖ヌクレオチド配列、二本鎖ＤＮＡのような二本鎖ヌクレオチド配列であり得る、又は単鎖ヌクレオチド配列及び二本鎖ヌクレオチド配列の混合体であり得る。二本鎖ＤＮＡ（ｄｓＤＮＡ）としては、ゲノムＤＮＡ、ＰＣＲ及び増幅産物がある。単鎖ＤＮＡ（ｓｓＤＮＡ）はｄｓＤＮＡに変換することができ、その逆の変換も可能である。ポリヌクレオチドにおける正確なヌクレオチド配列は知ることができるし、また未知のこともあり得る。以下はポリヌクレオチドの例、すなわち、遺伝子、遺伝子断片（プローブ、プライマー、発現配列タグ（ＥＳＴ）又は遺伝子発現連続分析（ＳＡＧＥ）タグ）、遺伝子ＤＮＡ、遺伝子ＤＮＡ断片、エクソン、イントロン、メッセンジャーＲＮＡ（ｍＲＮＡ）、トランスファーＲＮＡ、リボソームＲＮＡ、リボザイムｃＤＮＡ、組み換え型ポリヌクレオチド、合成ポリヌクレオチド、分岐ポリヌクレオチド、プラスミド、ベクター、任意な配列における単離ＤＮＡ、任意な配列における単離ＲＮＡ、上述した任意なものにおける核酸プローブ、プライマー、増幅複製。
【００６４】
本明細書で使用する用語「化学的に結合した（chemically coupled）」は、第１成分と第２成分との間における付着を意味させようと意図する。幾つかの実施形態において、このような付着は、通常付着された成分が使用される条件下では不可逆的である。他の実施形態において、このような付着は可逆的であるが、少なくとも本明細書記載の分析又は調合技術における１つ又はそれ以上のステップ（例えば、ポリマー（重合体）のサブユニットを検出する分析ステップ）に関して使用される期間にわたり持続する。このような付着は、化学結合、例えば、共有結合、水素結合、イオン結合、双極子間結合、ロンドン分散力、又はこれらのうち任意の適当な組合せによって形成することができる。共有結合は、第１成分を第２成分に結合する上で好適に使用することができる唯一の付着例である。他の例としては、オリゴヌクレオチド間の二本鎖、ペプチド-ペプチド間相互作用、並びにストレプトアビジン-ビオチン、ストレプトアビジン-デスチオビオチン、及びジゴキシゲニン-抗ジゴキシゲニンのようなハプテン-抗体相互作用がある。一実施形態において、付着は、第１ポリヌクレオチドを第２ポリヌクレオチドに交雑し、第２ポリヌクレオチドからの第１ポリヌクレオチドの離脱を抑止する交雑によって形成することができる。代案として、付着は、物理的又は生物学的な相互作用を用いて、例えば、第１タンパク質と第２タンパク質との間の相互作用であり、第１タンパク質の第２タンパク質からの離脱を抑止する相互作用を用いて形成することができる。本明細書で使用する用語「ポリメラーゼ（polymerase）」は、ヌクレオチドをポリヌクレオチドに重合することによってポリヌクレオチドを組み合わせる活性部位を有する酵素を意味させようとするものである。ポリメラーゼは、初回刺激を受けた単鎖ポリヌクレオチド鋳型を化学結合することができ、また順次にヌクレオチドを成長プライマーに付加して、鋳型の配列に相補的な配列を有するポリヌクレオチドを形成することができる。
【００６５】
本明細書に使用する用語「およそ（approximately）」又は「約（about）」は、記述した値の１０％以内であることを意味する。
【００６６】
本発明は、例えば、１つ又はそれ以上の励起及び／又は発光放出帯域により、随意的に法線入射励起で、検体（例えば、ＤＮＡクラスター）から単色又は多色発光信号増強のための、フォトニック構造を有する組成物及びデバイスを提供する。例えば、ＣＭＯＳ撮像アレイの頂面上にフォトニック及びマイクロ流体のチップをモノリシックに集積した統合体を使用してＤＮＡシークエンサーのサイズを縮小する、例えば、小型化することができる。ＣＭＯＳをベースとするシークエンシング（配列決定）デバイスの処理能力は、撮像ピクセルのサイズによって制限されることがあり得る。例えば、比較的大きなピクセルサイズは、同一分子における個別ＤＮＡ分子又はクラスターから十分な信号収集を行うのに有用であり得る。処理能力を増大するようピクセルをより小型に形成することができるが、このようなサイズ縮小は、十分良好な容量を低下させ、ピクセル間のクロストークを増加させ、これにより撮像及びシークエンシングの信号対ノイズ比（ＳＮＲ）を低下させるおそれがある。このようなアプローチは、撮像アレイの作製コストを増大させることにもなりかねないもので、このコスト増は、例えば、撮像アレイの工学技術量、並びにこのような撮像アレイにフォトニック及び／又はマイクロ流体のコンポーネントを集積させる量を増大することによるものである。
【００６７】
１デバイスあたりより多くの検査部位を設けることによって処理能力を増大させる他のやり方としては、１ピクセルあたり複数発光部位（例えば、ＤＮＡクラスター、マイクロアレイ反応チャンバ、等）導入を採り入れることがあり得る。例えば、特別な実施形態において、本発明組成物、デバイス及び方法は、撮像ピクセルを用いて、それぞれに対応する検体を含むことができる複数部位を撮像することができ、この撮像は、励起源を用いて互いに異なる時点で異なる部位を選択的に励起し、このような各時点でそれぞれに対応する画像を取得することによって行うことができる。実例を挙げれば、撮像ピクセルのアレイを設け、また複数部位をこのような撮像ピクセルそれぞれの上方に配置することができるとする。１個の部位を所定ピクセル各々の上方に配置する構成に関しては、このピクセル構成あたりの複数部位は、所定ピクセルアレイを使用して撮像できる部位個数は大きく増大することができる。しかし、所定撮像ピクセル上方の部位のすべてが互いに同時に励起される場合、このような部位から互いに同時に発光を受け取ることになり、１つのこのような部位からの発光と他の部位からの発光とを、ピクセルがこれら発光を受光することに応答して発生する電気信号に基づいて区別する能力を阻害することになる。
【００６８】
本発明が提供する光学技術を使用して、所定撮像ピクセル上方に位置する複数部位のうち単に１つの部位のみを所定時点で選択的に励起し、これによりその時点での正にその部位からの発光に応答するそのピクセルから電気信号を取得し、その後第２時点でその撮像ピクセル上方の複数部位における第２部位を励起し、これによりその第２部位からの発光に応答するそのピクセルからの第２電気信号を取得する。このようにして、２つの部位からの発光は、２つの時点で撮像ピクセルから取得された電気信号に基づいて互いに区別することができる。このように、本発明組成物、デバイス、及び方法は、撮像アレイにおけるピクセル個数よりも多い数の部位、例えば、ｎが２、又は３、又は４、又は５以上であるとして、ピクセル個数のｎの整数倍の発光性造影を生ずることができる。
【００６９】
本発明が提供するように、撮像ピクセル上方に配置される異なる部位は、励起光子を互いに異なる時点でそれぞれに対応する部位に選択的に指向させることによって選択的に励起することができる。例えば、合焦レーザービームを互いに異なる時点で異なる部位上方に走査し、このような時点で異なる１つの部位を選択的に励起させ、この特定部位が励起されることからの発光に応答してピクセルはこのような時点で電気信号を発生することができる。他の実施例としては、第１時点で１つの部位を選択的に励起する第１光強度パターンを発生するよう、第１時点に互いに干渉し合う任意の適当な数のレーザービームで部位を照射することができ、また第２時点で他の１つの部位を選択的に励起する第２光強度パターンを発生するよう、第２時点に互いに干渉し合う任意の適当な数のレーザービームで部位を照射することができる。ピクセルは、それぞれの部位からの発光に応答して第１時点及び第２時点でそれぞれに対応する電気信号を発生することができる。さらに他の実施例として、撮像ピクセル上方に配置したフォトニック構造上方又は該フォトニック構造内に部位を配置することができる。このフォトニック構造は、第１時点で第１特性を有する光子による照射に応答して、ピクセル上方の１つの部位を選択的に励起し、また第２時点で第２特性を有する光子による照射に応答して、ピクセル上方の他の１つの部位を選択的に励起するよう構成することができる。ピクセルは、それぞれの部位からの発光に応答して第１時点及び第２時点でそれぞれに対応する電気信号を発生することができる。
【００７０】
本発明フォトニック構造ベースのデバイス、組成物、及び方法は、既に知られている落射蛍光顕微鏡法及び顕微鏡走査システム（イラミーナ社（カリフォルニア州サンディエゴ）によって製造されたような市販のシークエンシング基盤におけるシステム）と適合可能であり、場合によっては、通常励起され、また様々なスペクトル窓に法線入射で造影される複数蛍光染料を使用することができる。このような染料はヌクレオチドに結合し、ＤＮＡのようなポリヌクレオチドのシークエンシング（配列決定）を容易にすることができる。しかし、本発明フォトニック構造ベースのデバイス、組成物、及び方法は、好適にも、任意なタイプの発光性造影又は任意な他の適当な用途にも使用することができ、またＤＮＡのようなポリヌクレオチドのシークエンシングでの使用に限定されない。
【００７１】
従来誘電性基板のパターン形成がポリヌクレオチドクラスターのサイズ及び均一性を制御し、またこのようなクラスターの密度を増加させ、シークエンシングの処理能力を向上するのにうまく採用されてきた。例えば、特許文献である米国特許出願公開第２０１４／０２４３２２４号を参照されたく、この特許文献は参照により本明細書に組み入れられるものとする。しかし、クラスターサイズの減少は、収集される多色蛍光信号の量の大幅な減少を招く結果となった。例えば、大きなサンプリング面積からの弱い多色蛍光信号の検出は、ＤＮＡクラスターにおける標識付けしたヌクレオチドの数が減少するため（例えば、撮像システムの単一分子レベル又は解像度限界まで低下）、ますます困難になるおそれがある。したがって、大幅に蛍光信号増強することは、ヌクレオチド同定を容易にし、また次世代ＳＢＳシステムの処理能力を増大するのに役立つ。
【００７２】
例えば、蛍光マーク付けした生体分子近傍における高屈折率誘電体のような材料の周期的パターン形成は、光波長のオーダーにおける屈折率の周期的変動を有する１次元又は２次元の導波路を生成することによって蛍光信号を増強することができる。フォトニック結晶（ＰｈＣｓ）、フォトニック格子、フォトニック結晶格子又はＰｈＣ格子と称することができるこのような導波路は、共鳴でフルオロフォア（蛍光色素分子）励起、蛍光収集、又はその双方を増強することによって蛍光信号を助長することができる高Ｑ共鳴モードを支援することができる。ＰｈＣ格子を用いる淡色蛍光信号の使用例としては、特許文献であるカニンガム氏らの米国特許第７，７６８，６４０号、非特許文献であるエストラーダ氏らの論文（Estrada et al., “Small volume excitation and enhancement of dye fluorescence on a 2D photonic crystal surface,” Opt. Express 18: 3693-3699 (2010)）、ゼン氏らの論文（Zhen et al., “Enabling enhanced emission and low-threshold lasing of organic molecules using special Fano resonances of macroscopic photonic crystals,” PNAS 110: 13711-13716 (2013)）、カジ氏らの論文（Kaji et al., “Fabrication of two-dimensional Ta2O5 photonic crystal slabs with ultra-low background emission toward highly sensitive fluorescence spectroscopy,” Opt. Express 19: 1422-1428 (2011)）、及びポクリヤル氏らの論文（Pokhriyal et al., “Photonic crystal enhanced fluorescence using a quartz substrate to reduce limits of detection,” Opt. Express 18: 24793-24808 (2010)）を参照されたく、これら文献は、それぞれ参照により内容全体が本明細書に組み入れられるものとする。
【００７３】
ＰｈＣ格子は、さらに、多色蛍光信号増強に使用することもできる。例えば、デュアル励起蛍光信号助長は、ＰｈＣによって支援される共鳴に合致するよう励起源の入射角調整を必要とする異なる波長での共鳴励起増強によってＰｈＣｓで達成されている。より詳細には、特許文献であるルー氏らの米国特許第８，３４４，３３３号を参照されたく、この特許文献は参照により内容全体が本明細書に組み入れられるものとする。しかし、このルー氏らの特許文献に記載の信号増強スキームは照明角度をチューニングすることによってトランス型蛍光モードで動作するため、このようなスキームは、関心対象のすべての波長に対して固定入射角、例えば、法線又は法線に近似する入射角での多色落射照明に依存する造影又はシークエンシング基盤には不都合である。
【００７４】
図１Ａはピクセル内における部位の発光性造影に使用する例示的なフォトニック構造をベースとするデバイスの斜視図を概略的に示す。図１Ａに示すデバイスは、相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）ベースのイメージセンサのような撮像ピクセルと、撮像ピクセル上方に配置したＰｈＣ層のようなフォトニック構造と、及びＰｈＣ層上に配置した第３材料内に画定したナノウェルとを有する。ＰｈＣ層は、ｎ１の屈折率を有する第１材料（黒色で示した）と、この第１材料内に画定され、かつｎ２の屈折率を有する第２材料（白色で示した）を充填した均一な形状及びサイズのウェルによる規則的なパターンとを有し、ここでｎ１及びｎ２は互いに異なる。１つ又はそれ以上の発光団、例えば、発光団にそれぞれ結合した１つ又はそれ以上の検体、例えば、発光団にそれぞれ結合した１つ又はそれ以上のヌクレオチドを含む部位をナノウェル内に配置することができる。発光団は、ＰｈＣ層に近接場に配置し、また励起波長によって、例えば、適当な特性を有する光子によって一過性の励起を行う（図１Ａに大きな下向き矢印として示す）。撮像ピクセルは、検出回路（特別には図示しない）に対し適正に電子的に結合することができ、この検出回路は、発光団によって発生した発光に応答して撮像ピクセルによって生じた電気信号を受信しかつ解析するよう構成することができる。撮像ピクセルは図１Ａで各側辺が１.７５μｍの寸法を有するものとして示したが、任意の適当な撮像ピクセルを使用できると理解されたい。
【００７５】
随意的に、任意の適当な個数のこのようなデバイスのアレイを設けることができる。例えば、図１Ｂは図１Ａに示すようなデバイスアレイ内における例示的な部位アレイの斜視図を概略的に示し、各部位（黒円として示している）はピクセル（矩形として示している）に対応する。さらに、このようなデバイスの各々は、任意の適当な数及びタイプの材料を含むことができる。例えば、図１Ｃは、図１Ａに示すような例示的デバイスの断面図を概略的に示す。図１Ａ〜１Ｃに示すデバイスの例示的実施形態において、ＰｈＣ層は、従来既知の任意の適当な撮像ピクセルの上方に配置することができる。ＰｈＣ層は、フォトニック結晶を画定するようパターン形成した窒化ケイ素（ＳｉＮ）のような第１材料を有することができる。酸化タンタル（ＴａＯ）のような第２材料をＰｈＣ層上に配置することができる。ナノウェルはＳｉＮのような第３材料内に画定することができ、またＴａＯのような第４材料をナノウェル上に配置することができる。図１Ａ〜１Ｃに示すように、単一ナノウェルを各撮像ピクセル上に配置することができる。このようにして、各撮像ピクセルは、そのピクセル上方のナノウェル内に配置した発光団から発光を受け取り、またこのような発光の受け取りに応答する適当な電子信号を発生することができる。
【００７６】
例えば、図２Ａは、図１Ｂに示す部位アレイの例示的な励起の斜視図を概略的に示す。実例を挙げれば、部位アレイは、レーザーのような単一光源からの均一（フラットトップ）照明で照射することができる。このような照射は、このような部位（図１Ａ及び１Ｃに示すような）の下方のＰｈＣ内に１つ又はそれ以上の共鳴モードを励起することができる。例えば、図２Ｂは、図２Ａに示すような励起に応答する、図１Ａ及び１Ｃに示すようなデバイスアレイ内のシミュレートした例示的な場強度を概略的に示す。ＰｈＣの形体は、ナノウェル２００の直下に位置する場所に比較的高い場強度を生じ、これによりナノウェル内に配置した部位における発光団を選択的に励起するようチューニングすることができる。
【００７７】
本明細書に記載のように、部位の数は、このような部位の異なる各１個は、異なる時点で選択的に励起するとき撮像ピクセルの数の整数倍（ｎ＞１）として増加することができる。図３Ａは、本明細書に記載のような例示的部位アレイの斜視図を概略的に示し、この場合、複数部位が１ピクセルに対応する。図３Ａに示す非限定的な実施例において、１ピクセルあたり4個の部位（それぞれ互いに異なる詰め模様を有する円として示す）を設けるが、１ピクセルあたり任意の適当な個数、例えば、１ピクセルあたり2個又はそれ以上、１ピクセルあたり３個又はそれ以上、１ピクセルあたり４個又はそれ以上、１ピクセルあたり５個又はそれ以上、の部位を設けることができると理解されたい。例えば、図３Ｂは、本明細書に記載のようなデバイスの断面図を概略的に示し、この場合、複数部位が図３Ａに示すような１ピクセルに対応する。図３Ａ〜３Ｂに示すデバイスの例示的実施形態において、従来既知の任意の適当な撮像ピクセル上に随意的なフォトニック構造を配置することができる。この随意的なフォトニック結晶は、撮像ピクセルの上方に配置される窒化ケイ素（ＳｉＮ）のような第１材料と、第１材料上に配置される二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）のような第２材料と、並びにＳｉＮのような第３材料及びＳｉＯ２のような第４材料によるパターンを有するフォトニック結晶を含むことができる。酸化タンタル（ＴａＯ）のような第５材料をＰｈＣ層上に配置することができる。複数個のナノウェルのような複数個の形体は、ＳｉＯ２のような第６材料内に画定することができ、またＴａＯのような第７材料を複数個のナノウェル上に配置することができる。図３Ａ〜３Ｂに示すように、複数形体、例えば、複数ナノウェルは各撮像ピクセルの上方に配置することができる。このようにして、各撮像ピクセルは、そのピクセル上方のこのような各形体内若しくはその上方、例えば、このようなナノウェル内に配置される発光団から異なる時点で発光を受け取り、またこのような異なる時点でのこのような発光の受け取りに応答する適当な電子信号を発生することができる。撮像ピクセル、随意的なフォトニック構造、及び形体は、互いにモノリシックに集積することができる。
【００７８】
図３Ｂに示すフォトニック構造は例示的なものであり、限定的なものではないことを理解されたい。例えば、フォトニック構造は、フォトニック結晶、又はフォトニック超格子、又はマイクロキャビティアレイ、又はプラズモンナノアンテナのアレイを有することができる。
【００７９】
図３Ａ〜３Ｂにつき説明したような部位は、任意の適当な技術を用いて選択的に励起することができる。例えば、フォトニック構造は随意的に省略することができ、また所定ピクセル上方の部位は、光子をこのような部位に指向させることによって選択的に励起することができる。実例を挙げれば、合焦レーザービームを互いに異なる時点で異なる部位上を走査し、このような時点で異なる部位を各個に選択的に励起し、ピクセルは、励起された特定部位からの発光に応答してこのような時点で電気信号を発生することができる。例えば、図４Ａは、本明細書に記載のような走査合焦ビーム照射を用いて図３Ａに示す部位アレイのうち選択した部位における例示的励起の斜視図を概略的に示す。実例を挙げれば、励起ビームの精密な制御は、高精度自由空間ビーム操縦を用いて、又は試料マニピュレーションによって、以下の非特許文献、すなわち、「Hahn et al., “Laser scanning lithography for surface micropatterning on hydrogels,” Adv. Mater. 17: 2939-2942 (2005) 」又は「Brakenhoff et al., “Confocal light scanning microscopy with high-aperture immersion lenses,” J. Microsc. 117: 219-232 (1997)」に記載のようにして達成することができ、これら文献は、参照により内容全体が本明細書に組み入れられるものとする。
【００８０】
他の実施例として、部位は、第１時点において互いに干渉し合う任意の適当な数のレーザービームで照射し、第１時点で１つの部位を選択的に励起する第１光強度パターンを発生するようにし、また第２時点において互いに干渉し合う任意の適当な数のレーザービームで照射し、第２時点で他の１つの部位を選択的に励起する第２光強度パターンを発生するようにすることができる。ピクセルは、第１及び第２の時点でそれぞれに対応する部位からの発光に応答してそれぞれに対応する電気信号を発生することができる。例えば、図４Ｂは、本明細書に記載のような多重レーザー干渉照明を用いて図３Ａに示す部位アレイにおける選択された部位の例示的な励起の斜視図を概略的に示す。部位は、以下の非特許文献、すなわち、「aser interference lithography,” in Lithography: Principles, Processes and Materials, pages 133-148, Theodore Hennessy, Ed., Nova Science Publishers, Inc. (2011)」、又は「in He et al., “Polarization control in flexible interference lithography for nano-patterning of different photonic structures with optimized contrast,” Optics Express 11518-11525 (May 4, 2015)」に記載されたような多重レーザー干渉照明を用いて選択的に照射することができる。
【００８１】
さらに他の実施例として、部位は、撮像ピクセルの上方に配置されたフォトニック構造上方又はその内部に配置することができる。フォトニック構造は、第１時点で第１特性を有する光子による照射に応答してピクセル上方における１つの部位を選択的に励起し、また第２時点で第２特性を有する光子による照射に応答してピクセル上方における他の１つの部位を選択的に励起するように、構成することができる。ピクセルは、第１及び第２の時点でそれぞれに対応する部位からの発光に応答してそれぞれに対応する電気信号を発生することができる。例えば、図５は、本明細書に記載のような、また図３Ａ〜３Ｂに示したようなデバイス内に設けることができる例示的フォトニック構造を概略的に示す。図５に示す特別な実施形態において、フォトニック構造はフォトニック結晶（ＰｈＣ）を有することができるが、フォトニック超格子、又はマイクロキャビティアレイ、又はプラズモンナノアンテナのアレイを有することができると理解されたい。図５に示す例示的ＰｈＣは、材料内に画定された形体の六角形アレイを有し、この場合、形体間の間隔ΛＰｈＣは励起光波長λ励起のオーダーである。
【００８２】
フォトニック構造、例えば、ＰｈＣは、互いに異なる特性を有する光子がＰｈＣ内で異なる共鳴を選択的に励起できるようチューニングすることができる（例えば、ＰｈＣの形体を選択することができる）。フォトニック構造の設計パラメータは、例えば、有限差分時間領域（ＦＤＴＤ：Finite-Difference Time-Domain）、厳密カップル波解析（ＲＣＷＡ：Rigorous Coupled-Wave Analysis）、及び平面波膨張（ＰＷＥ：Plane-Wave Expansion）のうち１つ又はそれ以上を用いて、共鳴を発光団におけるそれぞれ望ましい場所及び／又は励起若しくは放出のピークにチューニングするよう計算で調整することができる。設計最適化は、多重パラメータの一斉探査（スイープ）又は自己最適化アルゴリズムを採用して、所望の物理的領域及び／又はスペクトル領域における発光信号、例えば蛍光信号を最大化することができる。例えば、フォトニック構造が含んでいる材料の屈折率、高い場強度が望まれる空間的場所、及びフォトニック構造が選択的に共鳴を支援するのを望まれる波長は、計算により規定することができ、またＦＤＴＤ、ＲＣＷＡ、ＰＷＥのうち任意の適当な組合せ、又は任意な他の適当な最適化プログラムを使用して、構造の他のパラメータ、例えば、構造内の形体のサイズ、形状及び分布を調整し、構造の設計パラメータ空間を探索し、また構造のスペクトル的及び空間的形体を所望発光団場所及び／又は励起若しくは放出波長に一致させるパラメータの組合せを同定することができる。
【００８３】
例えば、図６Ａ〜６Ｄは図５に示すようなフォトニック結晶内における、異なる時点でそれぞれ互いに異なる特性を有する光子を発生する放射線源に関して例示的にシミュレートした場強度を概略的に示す。このシミュレートしたフォトニック結晶は、ＳｉＯ２基板の頂面上に位置決めしたＴａ２Ｏ５膜に空気孔の六角形アレイを有する。より具体的には、図６Ａは、第１時点で第１偏光性、例えばＸ偏光を示す光子に関してシミュレートした図５の例示的フォトニック結晶内における場強度を示し、図６Ｂは、第２時点で第２偏光性、例えばＹ偏光を示す光子に関してシミュレートしたそのフォトニック結晶内における場強度を示し、図６Ｃは、第３時点で第３偏光性、例えばＲＸ偏光を示す光子に関してシミュレートしたそのフォトニック結晶内における場強度を示し、図６Ｄは、第４時点で第４偏光性、例えばＲＹ偏光を示す光子に関してシミュレートしたそのフォトニック結晶内における場強度を示す。図６Ａ〜６Ｄに基づけば、光子の偏光性を変化させることによってフォトニック結晶内に異なるパターンの場強度が励起され得ることを理解することができる。当然のことながら、光子の他の特性、例えば、光子の波長又は角度を変化させて異なる場強度パターンを得ることによって、同様にフォトニック結晶内における異なる場強度パターンを励起させることができる。同様に、フォトニック結晶、フォトニック超格子、マイクロキャビティアレイ、又はプラズモンナノアンテナのアレイのような、他の適当なタイプのフォトニック構造に関する場強度パターンの相違も、フォトニック構造の形体を適切にチューニングし、互いに異なる時点でその構造を照射する光子の特性を適切に変化させることによって得ることができる。
【００８４】
幾つかの実施形態において、本発明デバイス、組成物、及び方法は、互いに異なる時点で励起される異なる場強度パターンにそれぞれ空間的にオーバーラップする多重発光団を含む部位を提供することができる。例えば、図７Ａは、本明細書で提示し、また図３Ａ〜３Ｂに示すような１ピクセルあたり第１及び第２の部位（例えば、クラスター）を含んでいる、例示的なフォトニック構造をベースとするデバイスの平面図を概略的に示す。このデバイスは、撮像ピクセルのアレイ、この撮像ピクセルのアレイ上方に配置したフォトニック構造、及びこのフォトニック構造上方に配置した形体アレイを備えることができる。このフォトニック構造としては、例えば、フォトニック結晶、フォトニック超格子、マイクロキャビティアレイ、又はプラズモンナノアンテナのアレイとすることができる。撮像ピクセルアレイ、フォトニック構造、及び形体アレイは、随意的に互いにモノリシックに集積することができる。１つの非限定的実施例において、フォトニック構造は六角形格子を含み、また撮像ピクセルは矩形とすることができる。
【００８５】
形体アレイにおける第１形体は、撮像ピクセルアレイの第１ピクセル上方に配置することができ、また形体アレイにおける第２形体は、撮像ピクセルアレイの第１ピクセル上方で第１形体から空間的に変位した配置することができる。例えば、図７Ａに示す非限定的実施例において、第１形体（「クラスター１」と称する）及び第２形体（「クラスター２」と称する）は双方とも互いに同一ピクセルの上方に配置される。第２形体は、図７Ａに示すように、第１形体から側方に変位することができる。一実施形態において、第１及び第２の形体は、それぞれピクセル上方の金属遮光開孔における底部右側コーナー及び頂部左側コーナーに位置する。第１発光団は第１形体内又はその上方に配置することができ、第２発光団は第２形体内又はその上方に配置することができる。例えば、幾つかの実施形態において、形体アレイは複数個のウェルとすることができ、図３Ｂに示したのと同様に、第１形体は第１発光団がその内部に配置される第１ウェルとし、第２形体は第２発光団がその内部に配置される第２ウェルとすることができる。他の実施形態において、形体アレイは複数個のポストとし、第１形体は、第１発光団がその上に配置される第１ポストとし、第２形体は、第２発光団がその上に配置される第２ポストとすることができる。実例を挙げれば、第１及び第２の形体（例えば、ウェル又はポスト）の各々は、ほぼ円形断面を有することができる。
【００８６】
デバイスは、さらに、第１時点で第１特性を有する第１光子を発生するよう構成され、また第１時点とは異なる第２時点で、第１特性とは異なる第２特性を有する第２光子を発生するよう構成されている放射線源を備えることができる。図４Ａ〜４Ｂにつき説明した実施形態とは対比的に、放射線源は、必ずしも異なる時点で異なる部位に選択的に指向させるよう構成する必要はない。その代わりに、幾つかの実施形態において、放射線源は、それぞれ第１及び第２の時点で第１及び第２の光子をフォトニック構造に一斉照明するよう構成し、またフォトニック構造の形体は放射を異なる部位に指向させることができる。付加的又は代案的に、放射線源はレーザーとすることができる。随意的に、放射線源によって放出される第１及び第２の光子はスペクトルの光領域内にあり、例えば、第１及び第２の光子は、それぞれ独立して約３００ｎｍ〜８００ｎｍの間における波長を有することができる。
【００８７】
幾つかの実施形態において、フォトニック構造は、第２偏光性の光に比べると第１偏光性の光で第１形体を選択的に照射するよう、また第１偏光性の光に比べると第２偏光性の光で第２形体を選択的に照射するようチューニングすることができる。例えば、デバイスは、第１形体内又はその上方に配置した第１発光団と、第２形体内又はその上方に配置した第２発光団を備えることができる。実例を挙げれば、デバイスは、第１形体内又はその上方に配置した第１標的検体と、第２形体内又はその上方に配置した第２標的検体を備えることができ、第１標的検体は第２標的検体とは異なるものとする。随意的に、第１及び第２の標的検体は、異なる配列を有する核酸を含むことができる。
【００８８】
幾つかの実施形態において、第１ピクセルは、第１時点における第１光子に応答する第１発光団が発する発光を選択的に受光することができ、また第２時点における第２光子に応答する第２発光団が発する発光を選択的に受光することができる。例えば、第１特性を有する第１光子は、第１時点においてフォトニック構造内に第１共鳴パターンを発生することができ、この第１共鳴パターンは、第２発光団に対するよりも第１発光団を励起することができる。実例を挙げれば、図７Ｂは、本明細書で提示し、また図７Ａ及び図３Ａ〜３Ｂに示すようなデバイスアレイ内における、第１時点で第１部位を選択的に励起する第１特性を有する光子を発生する放射線源に関して例示的にシミュレートした場強度を概略的に示す。第１特性を有する光子は、第１時点において、第２形体よりも第１形体で有意に強度が高い場強度空間パターンを発生することができ、またひいては第２発光団に対するよりも第１発光団を選択的に励起できることが分かる。このようにして、撮像ピクセルは、第１時点において、第１形体内又はその上方に配置された第１発光団の選択的励起にほぼ対応する電気信号を発生することができる。さらに、第２特性を有する第２光子は、第２時点において、フォトニック構造内に第２共鳴パターンを発生することができ、この第２共鳴パターンは、第１発光団に対するよりも第２発光団を選択的に励起することができる。実例を挙げれば、図７Ｃは、本明細書で提示し、また図７Ａ及び図３Ａ〜３Ｂに示すようなデバイスアレイ内における、第２時点で第２部位を選択的に励起する第２特性を有する光子を発生する放射線源に関して例示的にシミュレートした場強度を概略的に示す。第２特性を有する光子は、第２時点において、第１形体よりも第２形体で有意に強度が高い場強度空間パターンを発生することができ、またひいては第１発光団に対するよりも第２発光団を選択的に励起できることが分かる。このようにして、撮像ピクセルは、第２時点において、第２形体内又はその上方に配置された第２発光団の選択的励起にほぼ対応する電気信号を発生することができる。したがって、特定ピクセルの検出ゾーン内における２つ又はそれ以上の発光団は、異なる時点で発光団に加わる励起光の空間パターンを用いて互いに区別することができる。励起イベントの空間的及び時間的な離間のこの組合せにより、ピクセルは検出ゾーン内における２つ又はそれ以上の発光団を区別することができる。
【００８９】
図７Ｂに示すように、第１時点で第１発光団は第２発光団に対するよりも選択的に励起されることができるが、第２発光団はそれでも第１時点において第１発光団よりも少ない程度ではあるが励起され得ることに留意されたい。同様に、図７Ｃに示すように、第２時点で第２発光団は第１発光団に対するよりも選択的に励起されることができるが、第１発光団はそれでも第２時点において第２発光団よりも少ない程度ではあるが励起され得る。このような第１時点における第２発光団の励起及び第２時点における第１発光団の励起は、「クロストーク」と称することができる。図７Ｄは、本明細書で提示し、またそれぞれ図７Ｂ及び７Ｃに示すような第１及び第２の部位の選択的励起から生ずる、例示的なクロストーク事象（ターム）を概略的に示す。フォトニック構造及び／又は第１及び第２の光子それぞれの特性は、第１及び第２の発光団それぞれからの発光を適切に互いに区別できるレベルまでクロストークを減少するようチューニングすることができる。
【００９０】
図７Ｂ及び７Ｃに示す実施形態において、第１及び第２の光子それぞれの第１及び第２の特性は、波長、偏光性、及び角度よりなるグループから独立して選択することができる。実例を挙げれば、第１特性は第１直線偏光性を含むことができ、第２特性は第１直線偏光性とは異なる第２直線偏光性とすることができる。一実施例として、この第１直線偏光性は、第２直線偏光性に対してほぼ直交することができる。実例を挙げれば、第１形体内又はその上方で第１発光団を選択的に励起する図７Ｂに示す場強度パターンは、Ｘ偏光のような第１直線偏光性を有する光子を用いて発生し、また第２形体内又はその上方で第２発光団を選択的に励起する図７Ｃに示す場強度パターンは、Ｙ偏光のような第１直線偏光性に対してほぼ直交する第２直線偏光性を有する光子を用いて発生する。しかし、当然のことながら、第１及び第２の時点における光子は任意の適当な偏光性を有することができる。例えば、第１直線偏光性は、第２直線偏光性に対して約１５゜〜約７５゜の間における角度にわたり回転することができ、例えば、図６Ａ〜６Ｄにつき説明したような他の場強度パターンを生ずることができる。他の実施例として、偏光軸線は時計方向に３０゜の角度だけ回転することができ、また回転させられたＸ偏光ビーム及びＹ偏光ビーム（ＲＸ偏光ビーム及びＲＹ偏光ビーム）を使用することができる。さらに、当然のことながら、第１及び第２の時点における光子は、それぞれ任意な他の適当な特性を有することができる。例えば、第１時点における光子の第１特性は第１波長を含むことができ、また第２時点における光子の第２特性は、第１波長とは異なる第２波長を含むことができる。
【００９１】
第１及び第２の時点で発生する第１及び第２の光子の特性は、任意の適当な様態で制御することができる。例えば、幾つかの実施形態において、デバイスの放射線源は、光学的コンポーネントと、この光学的コンポーネントに接続したコントローラとを備えることができる。コントローラは、光学的コンポーネントを制御して第１光子に対して第１特性を付与するよう、また第２光子に対して第２特性を付与するよう適切に構成することができる。例えば、それぞれの光子特性が偏光性を含む実施形態において、光学的コンポーネントは、コントローラによる第１制御信号に応答して第１光子を第１直線偏光性にする回転をさせるよう、またコントローラによる第２制御信号に応答して第２光子を第２直線偏光性にする回転をさせるよう構成した複屈折材料を含むことができる。それぞれの光子特性が波長を含む実施形態において、光学的コンポーネントは、コントローラによる制御信号に応答してフォトニック構造に到達する光子の波長を制御するよう調整できる光子経路に配置した電子的に調整可能なフィルタを備えることができる、又は所定時点でコントローラによる制御信号に応答して放射線源によって発生する光子の波長を制御するよう調整できる放射線源の部分を備えることができる。それぞれの光子特性が角度を含む実施形態において、光学的コンポーネントは、コントローラによる制御信号に応答してフォトニック構造に到達する光子の角度を制御するよう調整できるレンズ及び／又はミラーのような屈折性又は透過性の光学系を備えることができる。当然のことながら、１つより多い光子特性を一度に変化させることができる。例えば、光子の波長、角度及び偏光性のうち２つ又はそれ以上の任意の適当な組合せを調整し、ピクセル上方に配置した所定発光団を、そのピクセル上方に配置した他の発光団に対するよりも選択的に励起できるようにする。
【００９２】
幾つかの実施形態において、第１及び第２の光子は任意の適当な角度でフォトニック構造を照射することができる。例えば、第１及び第２の光子は、互いにほぼ同一の角度でフォトニック構造を照射することができ、実例を挙げれば、フォトニック構造の大表面にほぼ直交する（法線）角度で、又はフォトニック構造の大表面にほぼ平行な角度で照射することができる。
【００９３】
図７Ａ〜７Ｄに示す実施形態において、当然のことながら、形体アレイにおける他の形体は他のピクセルの上方に配置することができる。例えば、形体アレイにおける第３形体は、撮像ピクセルアレイにおける第２ピクセルの上方に配置することができ、また形体アレイにおける第４形体は、第２ピクセルの上方かつ第３形体から空間的変位させて配置することができる。デバイスは、さらに、第３形体内又はその上方に配置した第３発光団と、及び第４形体内又はその上方に配置した第４発光団とを備えることができる。第２ピクセルは、第１時点における第１光子に応答する又は第２時点における第２光子に応答する第３発光団によって、例えば、第１光子又は第２光子によって第３発光団が励起されることがある場合に、発せられる発光を選択的に受光することができる。第２ピクセルは、第１時点における第１光子に応答する又は第２時点における第２光子に応答する第４発光団によって、例えば、第１光子又は第２光子によって第４発光団が励起されることがある場合に、発せられる発光を選択的に受光することができる。
【００９４】
さらに、当然のことながら、１ピクセルあたり任意の適当な数の部位を設けることができる。実例を挙げれば、図３Ａ〜３Ｂ及び図７Ａ〜７Ｄに示すデバイスは、随意的にさらに、形体アレイにおける第３形体を備えることができ、この第３形体は、第１ピクセル上方に配置されかつ第１及び第２の形体各々から空間的に変位して配置することができる。デバイスは、第３形体内又はその上方に配置した第３発光団を備えることができる。放射線源は、第３時点で第３特性を有する第３光子を発生するよう構成することができ、第３特性は第１及び第２の特性とは異なり、第３時点は第１及び第２の時点とは異なるものとすることができる。第１ピクセルは第３時点で第３光子に応答する第３発光団によって発せられる発光を選択的に受光することができる。例えば、図８Ａは、本明細書で提示する、また図３Ａ〜３Ｂに示すような１ピクセル（円として表されている）あたり第１、第２及び第３の部位（例えば、クラスター）を含んでいる、例示的なフォトニック構造をベースとするデバイスの平面図を概略的に示す。図６Ａ〜６Ｄ及び図７Ａ〜７Ｃにつき説明したのと同様にして、フォトニック構造は、第１、第２及び第３の時点で第１、第２及び第３の特性を有する光子によってそれぞれ照射することができ、これによりこれらの時点においてそれぞれ第１、第２及び第３の部位で第１、第２及び第３の発光団を励起することができる。
【００９５】
例えば、図８Ｂは、本明細書で提示する、また図８Ａ及び図３Ａ〜３Ｂに示すようなデバイスアレイ内における、第１時点で第１部位を選択的に励起する第１特性を有する光子を発生する放射線源に関して例示的にシミュレートした場強度を概略的に示す。図８Ｃは、このようなデバイスアレイ内における、第２時点で第２部位を選択的に励起する第２特性を有する光子を発生する放射線源に関して例示的にシミュレートした場強度を概略的に示す。図８Ｄは、このようなデバイスアレイ内における、第３時点で第３部位を選択的に励起する第３特性を有する光子を発生する放射線源に関して例示的にシミュレートした場強度を概略的に示す。一実施例として、第１特性は第１直線偏光性、例えばＹ偏光を含むことができ、第２特性は第２直線偏光性、例えばＲＹ偏光を含むことができ、また第３特性は第３直線偏光性、例えばＲＸ偏光を含むことができる。このような偏光性のうち１つ又はそれ以上は、必ずしもその必要はないが、互いに直交することができる点に留意されたい。例えば、ＲＸ偏光及びＲＹ偏光は互いに直交し、また各々がＹ偏光に対して約１５゜〜７５゜の間における角度、例えば、４５゜の角度をなすことができる。例えば、第１直線偏光性は、第２直線偏光性に対して約１５゜〜約７５゜の間における角度にわたり回転することができ、例えば、図６Ａ〜６Ｄにつき説明したような他の場強度パターンを生ずることができる。他の実施例として、偏光軸線は時計方向に３０゜の角度だけ回転することができ、また回転させられたＸ偏光ビーム及びＹ偏光ビーム（ＲＸ偏光ビーム及びＲＹ偏光ビーム）を使用することができる。さらに、図７Ｄにつき上述したのと同様に、第１時点において第１部位を選択的に励起することは第２及び／又は第３の部位をより少ない程度に励起することがあり、第２時点において第２部位を選択的に励起することは第１及び／又は第３の部位も励起することがあり、及び／又は第３時点において第３部位を選択的に励起することは第１及び／又は第２の部位も励起することがあることに留意されたい。図８Ｅは、本明細書で提示する、またそれぞれ図８Ｂ〜８Ｄに示すような幾つかの実施形態による第１、第２及び第３の部位の選択的励起から生ずる、例示的なクロストーク事象（ターム）を概略的に示す。フォトニック構造及び／又は第１及び第２の光子それぞれの特性は、第１及び第２の発光団それぞれからの発光を適切に互いに区別できるレベルまでクロストークを減少するようチューニングすることができる。
【００９６】
本発明デバイスは、好適にはさらに、各ピクセルの上方に配置したより多くの数の部位さえも設けることができる。例えば、図３Ａ〜３Ｂ及び図８Ａ〜８Ｅにつき上述したようなデバイスは、随意的にさらに、第１ピクセル上方に配置しかつ第１、第２、第３の形体それぞれから空間的に変位させて配置した形体アレイにおける第４形体を備えることができる。デバイスは、さらに、この第４形体内又はその上方に配置した第４発光団を備えることができる。放射線源は、第４時点で第４特性を有する第４光子を発生するよう構成することができ、この第４特性は第１、第２、及び第３の特性とは異なり、第４時点は第１、第２、及び第３の時点とは異なるものとすることができる。第１ピクセルは、第４時点で第４光子に応答して第４発光団が発する発光を選択的に受光することができる。実例を挙げれば、図９Ａ〜９Ｄは、それぞれ本明細書で提示する、また図３Ａ〜３Ｂに示すようなデバイスアレイ内で、異なる時点で異なる特性を有する光子を発生する放射線源を用いての第１、第２、第３、及び第４部位の例示的選択的励起の斜視図を概略的に示す。例えば、図９Ａに示すように、第１時点でフォトニック構造は、第１特性（例えば、Ｘ偏光のような第１偏光性）を有する光子で照射することができ、これにより各ピクセル上方に配置される第１部位を選択的に励起する。この後、図９Ｂに示すように、第２時点でフォトニック構造は、第２特性（例えば、ＸＹ偏光のような第２偏光性）を有する光子で照射することができ、これにより各ピクセル上方に配置される第２部位を選択的に励起する。次に、図９Ｃに示すように、第３時点でフォトニック構造は、第３特性（例えば、ＹＸ偏光のような第３偏光性）を有する光子で照射することができ、これにより各ピクセル上方に配置される第３部位を選択的に励起する。次いで、図９Ｄに示すように、第４時点でフォトニック構造は、第４特性（例えば、Ｙ偏光のような第４偏光性）を有する光子で照射することができる。ピクセルは、第１、第２、第３、及び第４の時点でそれぞれ電気信号を発生することができ、これら電気信号に基づいてこのようなピクセル上方に配置される第１、第２、第３、及び第４の部位を互いに区別することができる。
【００９７】
本発明組成物、デバイス、及び方法は、好適にも、法線入射照明によるＳＢＳシークエンシングの蛍光信号を増強した発光画像を生成するのに使用することができる。例えば、デバイスは、さらに、形体アレイに接触し、また１つ又はそれ以上の検体フローを第１及び第２の形体に供給するよう構成された少なくとも１個のマイクロ流体形体を備えることができる。付加的又は代案的に、本発明組成物、デバイス、及び方法は、任意の適当な数の励起波長を用いて任意の適当な数の発光団の励起効率を高めることができる、例えば、４チャンネルＳＢＳ化学スキームにおいて４共鳴波長（λ１、λ２、λ３、及びλ４）で明確に異なる４つの励起源の励起効率を高めることができる、又は２チャンネルＳＢＳ化学スキームにおいて２励起波長（λ１及びλ２）で励起効率を高めることができる、又は１チャンネルＳＢＳ化学スキームにおいて１励起波長（λ１）で励起効率を高めることができる。代表的な４チャンネル、３チャンネル、２チャンネル又は１チャンネルのＳＢＳスキームは、例えば、以下の特許文献、すなわち、米国特許出願公開第２０１３／００７９２３２号に記載されており、本明細書に記載のような装置及び方法に使用するよう変更することができる。例えば、図７Ａ〜７Ｄにつき説明したような、第１及び第２の発光団を第１ピクセルの上方に配置する実施形態を再び参照すると、第１発光団は第１核酸に結合し、また第２発光団は第２核酸に結合することができる。他の実施形態として、図７Ａ〜７Ｄにつき説明したような、第１及び第２の発光団を第１ピクセルの上方に配置し、また第３及び第４の発光団を第２ピクセルの上方に配置する随意的な実施形態につき説明すると、第１発光団は第１核酸に結合し、第２発光団は第２核酸に結合し、第３発光団は第３核酸に結合し、また第４発光団は第４核酸に結合することができる。さらに他の実施例として、図９Ａ〜９Ｄにつき記載したような、説明的実施形態を参照して説明すると、第１発光団は第１核酸に結合し、第２発光団は第２核酸に結合し、第３発光団は第３核酸に結合し、また第４発光団は第４核酸に結合することができる。例えば、発光性造影を使用するＤＮＡ配列決定（シークエンシング）に使用するための組成物において、第１発光団はＡに結合し、第２発光団はＧに結合し、第３発光団はＣに結合し、また第４発光団はＴに結合することができる。他の実施例として、発光性造影を使用するＲＮＡ配列決定（シークエンシング）に使用するための組成物において、第１発光団はＡに結合し、第２発光団はＧに結合し、第３発光団はＣに結合し、また第４発光団はＵに結合することができる。
【００９８】
図３Ａ〜３Ｂ、図７Ａ〜７Ｄ、図８Ａ〜８Ｅ、図９Ａ〜９Ｄにつき説明したような、本発明が提供するデバイスにおいて、第１発光団は配列決定すべき第１ポリヌクレオチドに結合し、また第２発光団は配列決定すべき第２ポリヌクレオチドに結合することができる。第１ポリヌクレオチドは第１形体に結合し、また第２ポリヌクレオチドは第２形体に結合することができる。本発明デバイスは、さらに、第１ポリヌクレオチドに相補的であり、かつ第１ポリヌクレオチドに結合される第３ポリヌクレオチドに第１核酸を付加させる第１ポリメラーゼを含み、第１核酸は第１発光団に結合されているものとすることができる。本発明デバイスは、さらに、第２ポリヌクレオチドに相補的であり、かつ第２ポリヌクレオチドに結合される第４ポリヌクレオチドに第２核酸を付加させる第２ポリメラーゼを含み、第２核酸は第２発光団に結合されているものとすることができる。本発明デバイスは、さらに、第１及び第２の核酸並びに第１及び第２のポリメラーゼを含んでいる第１液体を、第１及び第２の形体内又は形体上に流し込むチャンネルを備えることができる。例えば、第１及び第２のポリメラーゼは、第１ピクセル上方に配置した第１及び第２の形体に結合することができ、また適当なＳＢＳスキームを使用して配列決定できるようにする。第１及び第２の発光団は、例えば、第１及び第２のポリメラーゼを使用して第１及び第２のポリヌクレオチドに組み入れられる、第１及び第２の核酸にそれぞれ結合することができる。第１及び第２の核酸を第１及び第２のポリヌクレオチドに組み入れるＳＢＳステップに続いて、本明細書で提示するようにして、これにより、第１ポリヌクレオチドにおける第１発光団の存在（すなわち、第１核酸の第１ポリヌクレオチドへの組み入れ）に応答する、及び第２ポリヌクレオチドにおける第２発光団の存在（すなわち、第２核酸の第２ポリヌクレオチドへの組み入れ）に応答する、それぞれに対応した電気信号を取得するように、第１及び第２の発光団がそれぞれ互いに異なる時点で選択的に発光造影することができる。
【００９９】
当然のことながら、所定ピクセルを用いて複数部位における発光団を撮像（画像化）するのに任意の適当な方法を使用することができる。例えば、図１０は、発光性造影に使用される本発明が提供する方法におけるステップの例示的なフローを示す。図１０に示す方法１０００は、撮像ピクセルのアレイを準備するステップ（１００１）を備えることができる。例えば、撮像ピクセルのアレイは市販のものである。図１０に示す方法１０００は、さらに、撮像ピクセルのアレイ上方にフォトニック構造を準備するステップ（１００２）を備える。例えば、フォトニック結晶、フォトニック超格子、マイクロキャビティアレイ、又はプラズモンナノアンテナのアレイを撮像ピクセルのアレイ上方に配置することができ、この配置は、従来既知の材料作製及びパターン形成技術の任意の適当な組合せを使用して行うことができる。
【０１００】
図１０に示す方法１０００は、さらに、フォトニック構造上方に形体アレイを準備するステップ（１００３）を備えることができる。例えば、ウェル又はポストのアレイをフォトニック構造上方に、従来既知の材料作製及びパターン形成技術の任意の適当な組合せを使用して配置することができる。形体アレイは、フォトニック結晶及びピクセルアレイに整列させることができ、整数ｎ個（ｎ＞２）の形体各々は各ピクセル上方に配置する。例えば、形体アレイにおける第１形体を撮像ピクセルアレイにおける第１ピクセル上方に配置し、形体アレイにおける第２形体を第１ピクセル上方であり、かつ第１形体からは空間的に変位した位置に配置することができる。例えば、第２形体は第１形体から側方に変位しているものとすることができる。非限定的実施形態において、フォトニック構造は六角形格子を有し、また撮像ピクセルは矩形とする。第１及び第２の形体、例えば、第１及び第２のポスト又はウェルは各々がほぼ円形断面を有することができる。随意的に、撮像ピクセルのアレイ、フォトニック構造、及び形体アレイは、互いにモノリシックに集積する、例えば、ＣＭＯＳ加工ステップのシーケンスを用いて、一体構造として準備することができる。
【０１０１】
図１０に示す方法１０００は、さらに、第１形体内又は上方に第１発光団を準備するステップ（１００４）、及び第２形体内又は上方に第２発光団を準備するステップ（１００５）を備えることができる。例えば、形体アレイは複数個のウェルを有することができる。第１形体は第１発光団が内部に配置される第１ウェルを有することができ、また第２形体は第２発光団が内部に配置される第２ウェルを有することができる。他の実施例としては、形体アレイは複数個のポストを有することができる。第１形体は第１発光団がその上部に配置される第１ポストを有することができ、また第２形体は第２発光団がその上部に配置される第２ポストを有することができる。随意的に、第１及び第２の発光団は第１及び第２の形体に対して直接又は間接的に結合することができる。１つの非限定的実施例として、第１及び第２の発光団は、それぞれ本明細書のいずれかの箇所で記載のようにしてシークエンシングされる、第１及び第２の核酸に結合することができる及び／又は第１及び第２のポリヌクレオチドに結合することができる。
【０１０２】
図１０に示す方法１０００は、さらに、放射線源により第１時点で第１特性を有する第１光子を発生するステップ（１００６）を備えることができる。第１特性を有する第１光子は、第１時点でフォトニック構造内に第１共鳴パターンを発生することができ、この第１共鳴パターンは第２発光団よりも第１発光団を選択的に励起する。図１０に示す方法１０００は、さらに、放射線源により第２時点で第２特性を有する第２光子を発生するステップ（１００７）を備えることができる。第２特性は第１特性とは異なり、また第２時点は第１時点とは異なるものとすることができる。一実施例において、ステップ１００６及び１００７は、それぞれ第１及び第２の光子によりフォトニック構造を一斉照明することができる及び／又はレーザーにより第１及び第２の光子を発生することができる。随意的に、第１及び第２の光子は、可視レンジのスペクトルにあり得る、及び／又は約３００ｎｍ〜８００ｎｍの間における波長を有することができる。
【０１０３】
第２特性を有する第２光子は、第２時点でフォトニック構造内に第２共鳴パターンを発生することができ、この第２共鳴パターンは第１発光団よりも第２発光団を選択的に励起する。代表的な放射線源、光子特性、共鳴パターンは本明細書のいずれかの箇所で記載されている。実例を挙げれば、第１及び第２の光子特性は、波長、偏光性、及び角度よりなるグループから独立的に選択することができる。一例として、第１光子特性は第１直線偏光性を含むことができ、また第２光子特性は第１直線偏光性とは異なる第２直線偏光性を含むことができる。随意的に、第１直線偏光性は第２直線偏光性に対してほぼ直交する。代案的に、第１直線偏光性は、第２直線偏光性に対して約１５゜〜７５゜の間における角度だけ回転することができる。他の例としては、第１光子特性は第１波長を含むことができ、また第２光子特性は第１波長とは異なる第２波長を含むことができる。
【０１０４】
随意的に、第１及び第２の光子の各々は、互いにほぼ同一の角度でフォトニック構造を照射する。例えば、第１及び第２の光子の各々は、フォトニック構造の大表面に対してほぼ垂直の（法線）角度でフォトニック構造を照射することができる。あるいは、例えば、第１及び第２の光子の各々は、フォトニック構造の大表面に対してほぼ平行な角度でフォトニック構造を照射することができる。幾つかの実施形態において、放射線源は光学的コンポーネントを有することができ、また方法１０００は、第１光子に第１特性を付与し、また第２光子に第２特性を付与するように構成された光学的コンポーネントを制御するステップを備えることができる。実例を挙げれば、光学的コンポーネントは、コントローラによる第１制御信号に応答して第１光子を第１直線偏光性にする回転を与え、またコントローラによる第２制御信号に応答して第２光子を第２直線偏光性にする回転を与える、複屈折材料を含むことができる。付加的又は代案的に、光学的コンポーネントは、コントローラによる制御信号に応答して第１及び第２の光子の波長又は角度を制御することができる。
【０１０５】
図１０に示す方法１０００は、さらに、第１時点での第１光子に応答する第１発光団が発する発光を第１ピクセルが選択的に受光するステップ（１００８）、及び第２時点での第２光子に応答する第２発光団が発する発光を第１ピクセルが選択的に受光するステップ（１００９）を備えることができる。本明細書のいずれかの箇所で記載のように、第１及び第２の時点でそれぞれの電気信号を発生することができ、これら電気信号に基づいて第１及び第２の発光団を区別することができる。
【０１０６】
任意の適当な数の形体を第１ピクセル上方に配置することができ、例えば、図３Ａ〜３Ｂ、図７Ａ〜７Ｄ、図８Ａ〜８Ｅ、又は図９Ａ〜９Ｄにつき説明したように、３又は４個の形体を第１ピクセル上方に配置することができる。例えば、形体アレイにおける第３形体は、随意的に、第１ピクセル上方でかつ第１及び第２の形体から空間的に変位した位置に配置することができ、また方法１０００は、さらに、第３形体内又はその上方に配置した第３発光団を準備するステップと、第３時点で第３特性を有する第３光子を発生するステップとを備えることができ、第３特性は第１及び第２の特性とは異なり、第３時点は第１及び第２の時点とは異なり、また第３時点で第３光子に応答する第３発光団が発する発光を第１ピクセルが選択的に受光するものとすることができる。随意的に、形体アレイの第４形体は、第１ピクセル上方でかつ第１、第２及び第３の形体から空間的に変位した位置に配置することができ、また方法１０００は、さらに、第４形体内又はその上方に配置した第４発光団を準備するステップと、第４時点で第４特性を有する第４光子を発生するステップとを備えることができ、第４特性は第１、第２及び第３の特性とは異なり、第４時点は第１、第２及び第３の時点とは異なり、また第４時点で第４光子に応答する第４発光団が発する発光を第１ピクセルが選択的に受光するものとすることができる。１つの非限定的実施例において、第１発光団は第１核酸に結合することができ、第２発光団は第２核酸に結合することができ、第３発光団は第３核酸に結合することができ、また第４発光団は第４核酸に結合することができる。
【０１０７】
付加的又は代案的に、任意の適当な数の形体、例えば、２、３、４個、又は４個より多い数の形体を第２ピクセルの上方に配置することができる。例えば、形体アレイのうち第３形体を撮像ピクセルにおける第２ピクセルの上方に配置することができ、形体アレイのうち第４形体を第２ピクセルの上方でかつ第３形体から空間的に変位した位置に配置することができ、方法１０００は、さらに、第３形体内又はその上方に配置した第３発光団を準備するステップと、及び第４形体内又はその上方に配置した第４発光団を準備するステップと、を備えることができる。方法１０００は、さらに、第１時点で第１光子に応答する又は第２時点で第２光子に応答する第３発光団が発する発光を第２ピクセルが選択的に受光するステップと、及び第１時点で第１光子に応答する又は第２時点で第２光子に応答する第４発光団が発する発光を第２ピクセルが選択的に受光するステップと、を備えることができる。１つの非限定的実施例において、第１発光団は第１核酸に結合することができ、第２発光団は第２核酸に結合することができ、第３発光団は第３核酸に結合することができ、また第４発光団は第４核酸に結合することができる。
【０１０８】
方法１０００はＳＢＳスキームにおける発光性造影に適用することができる。例えば、方法１０００は、形体アレイに接触する少なくとも１個のマイクロ流体形体を準備するステップと、及び少なくとも１個のマイクロ流体形体によって第１及び第２の形体に１つ又はそれ以上の検体を流し込むステップと、を備えることができる。他の実施例として、第１発光団を第１ヌクレオチドに結合することができ、また第２発光団を第２ヌクレオチドに結合することができる。付加的又は代案的に、第１発光団はシークエンシング（配列決定）すべき第１ポリヌクレオチドに結合し、また第２発光団はシークエンシングすべき第２ポリヌクレオチドに結合することができる。第１ポリヌクレオチドは第１形体に結合することができ、また第２ポリヌクレオチドは第２形体に結合することができる。方法１０００は、さらに、第１ポリヌクレオチドに相補的でありかつこの第１ポリヌクレオチドに結合される第３ポリヌクレオチドに第１ヌクレオチドを第１ポリメラーゼによって付加させるステップを備えることができ、第１ヌクレオチドは第１発光団に結合されるものとすることができる。方法１０００は、さらに、第２ポリヌクレオチドに相補的でありかつこの第２ポリヌクレオチドに結合される第４ポリヌクレオチドに第２ヌクレオチドを第２ポリメラーゼによって付加させるステップを備えることができ、第２ヌクレオチドは第２発光団に結合されるものとすることができる。方法１０００は、さらに、第１及び第２のヌクレオチド並びに第１及び第２のポリメラーゼを含む第１流体をチャンネルによって第１及び第２の形体内又はそれらの上方に流し込むステップを備えることができる。
【０１０９】
本明細書のいずれかの箇所で記載したように、本発明デバイス及び方法は、材料加工及びパターン形成技術の任意の適当な組合せを用いて調製することができる。図１１は、本明細書で提示するようなデバイス又は組成物を調製するのに使用できるステップの例示的シーケンス（順序）を示す。実例を挙げれば、図３Ａ〜３Ｂにつき説明したようなデバイス又は組成物は、２つのナノインプリントリソグラフィのステップ、これに続く共形誘電体堆積ステップを用いて調製することができる。例えば、図１１のステップ（ａ）において、誘電体又は半導体のような光学的に透明な第１材料、例えばポリマー（樹脂のような）を、基板、例えばガラス基板上に配置することができる。図１１のステップ（ｂ）において、ナノインプリントリソグラフィの使用で第１材料をパターン形成し、例えば、ウェル又はポストのような複数個の形体を画定することができる。図１１のステップ（ｃ）において、第１材料よりも高い屈折率を有する誘電体又は半導体のような光学的に透明な第３材料を、第１材料内に画定した形体上に堆積する（例えば、共形的にコーティングする）ことができる。図１１のステップ（ｄ）において、誘電体又は半導体のような光学的に透明な第４材料、例えばポリマー（樹脂のような）を、第３材料上に配置することができる。図１１のステップ（ｅ）において、ナノインプリントリソグラフィの使用で第４材料をパターン形成し、複数個のウェル又はナノウェルを画定することができる。第４材料は、随意的に、図１１（ｅ）に示すように、フォトニック構造内の空間を填隙する。１つ又はそれ以上の発光団を含む第２材料（特別には図示しない）をウェル又はナノウェル内に配置する、例えば、フォトニック構造上に配置することができる。図１１は１ピクセルあたり単一ウェルを調製することを示すが、１ピクセルあたり複数ウェルは、例えば、第２ナノインプリントステップで形成される形体の分布及びサイズを変化させることによって容易に調製することができることを理解されたい。
【０１１０】
他の実施例として、図３Ａ〜３Ｂにつき説明したようなデバイス又は組成物は、２つのナノインプリントリソグラフィのステップ、２つのＲＩＥステップ、誘電体堆積及びＣＭＰを用いて調製することができる。例えば、図１２は、本明細書で提示するようなデバイス又は組成物を調製するのに使用できるステップの他の例示的シーケンス（順序）を示す。図１２のステップ（ａ）において、誘電体又は半導体のような光学的に透明な第１材料、例えばポリマー（樹脂のような）を、基板、例えばガラス基板上に配置することができる。図１２のステップ（ｂ）において、リソグラフィを用い、それに続く反応性イオンエッチ（ＲＩＥ）によって第１材料をパターン形成し、例えば、ウェル又はポストのような複数個の形体を画定することができる。図１２のステップ（ｃ）において、第１材料よりも高い屈折率を有する誘電体又は半導体のような光学的に透明な第３材料を、第１材料内に画定した形体上に堆積する（例えば、共形的にコーティングする）ことができる。図１２のステップ（ｄ）において、誘電体又は半導体のような光学的に透明な第４材料、例えばポリマー（樹脂のような）を、第３材料上に配置することができる。図１２のステップ（ｅ）において、第４材料は、例えば、化学機械的研磨（ＣＭＰ）を用いて平坦化することができる。図１１のステップ（ｆ）において、リソグラフィを用いてそれに続くＲＩＥによって第４材料をパターン形成し、複数個のウェル又はナノウェルを画定することができる。第４材料は、随意的に、図１１（ｆ）に示すように、フォトニック構造内の空間を填隙する。１つ又はそれ以上の発光団を含む第２材料（特別には図示しない）をウェル又はナノウェル内に配置する、例えば、フォトニック構造上に配置することができる。図１２は１ピクセルあたり単一ウェルを調製することを示すが、１ピクセルあたり複数ウェルは、例えば、第２リソグラフィステップ及びＲＩＥで形成される形体の分布及びサイズを変化させることによって容易に調製することができることを理解されたい。
【０１１１】
本発明デバイスは、好適にも、様々な用途、例えば発光性造影に使用できることを理解されたい。図１３は本明細書で提示する発光性造影法に用いる例示的デバイスを示す。図１３は、フォトニック構造１３１０、光学的コンポーネント１３３０、撮像ピクセル１３５０、及び検出回路１３４０を備える例示的なデバイスを示す。フォトニック構造１３１０は、第１屈折率を有する第１材料（斜線模様で示す）と、第１屈折率とは異なる第２屈折率を有する第２材料（水平線模様で示す）とを有する。第１材料は、第１及び第２の大表面１３１１、１３１２と、第１及び第２の大表面のうち少なくとも一方に画定した第１及び第２の複数形体、例えば、ウェル１３１３、１３１４を有する。形体、例えば、第１複数ウェル１３１３は、随意的に、例えば第２複数ウェル１３１４とは、少なくとも１つの形体特性が異なる、例えば、形状、サイズ、又は分布が異なるものとすることができる。例えば、図１３に示す例示的フォトニック構造１３１０において、第１複数ウェル１３１３のような形体は、随意的に、形状（例えば、幅）及び分布（例えば、間隔）が第２複数形体１３１４とは異なるものとすることができる。図１３に示す非限定的実施例において、第２材料は、第１及び第２の複数形体例えば、ウェル１３１３，１３１４内又はそれらの間に配置することができ、また第１及び第２の発光団１３２１、１３２２を含むことができる。例えば、第１及び第２の発光団１３２１、１３２２のうち幾つかは第１複数形体、例えばウェル１３１３内又はそれらの間に配置することができ、また第１及び第２の発光団１３２１、１３２２のうち他のものは第２複数形体、例えばウェル１３１４内又はそれらの間に配置することができる。図３Ａ〜３Ｂにつき説明したような他の実施形態において、第２材料は、第１及び第２の複数形体上方に配置することができる。実例を挙げれば、第１材料としてはポリマー若しくはガラス若しくは他の適当な材料があり、第２材料としては流体若しくはゲル若しくは他の適当な材料があり得る。随意的に、図３Ａ〜３Ｂにつき説明したように、フォトニック構造１３１０は、さらに、第１及び第２の屈折率とは異なる第３屈折率を有する第３材料を含むことができ、この第３材料は、第１及び第２の複数形体のうち少なくとも一方の上方に配置され、また第２材料は第３材料の上方に配置される。随意的に、第１発光団１３２１は第１核酸に結合することができ、第２発光団１３２２は、第１核酸とは異なる第２核酸に結合することができる。
【０１１２】
フォトニック構造１３１０は、第１時点で第１特性を有する光子での照射に応答して第１共鳴パターンを選択的に支援することができ、これに応答して第１発光団１３２１が第１波長λ１を発することができる。フォトニック構造１３１０は、第２時点で第２特性を有する光子での照射に応答して第２共鳴パターンを選択的に支援することができ、これに応答して第２発光団１３２２が第２波長λ２を発することができる。第１及び第２の波長は、随意的に互いに異なるものとすることができ、例えば、フォトニック構造内で選択的な共鳴をしない第１非伝播波長によって互いに離れているものとすることができる。光学的コンポーネント１３３０は、第１材料の第１及び第２の大表面１３１１、１３１２のうち一方の上方に、例えば、第１大表面１３１１の上方に、また随意的に、或る距離だけ離間させて配置することができる。光学的コンポーネント１３３０は、第１時点で第１光子によりフォトニック構造１３１０を照射し、また第２時点で第２光子によりフォトニック構造１３１０を照射するよう構成することができる。図１３に示す例示的デバイスにおいて、フォトニック構造１３１０は、第１材料の第１大表面１３１１に対してほぼ垂直な角度で第１及び第２の光子を照射するが、本明細書に記載のような任意な他の角度も適切に使用することができると理解されたい。
【０１１３】
フォトニック構造１３１０は、撮像ピクセル１３５０の上方に配置することができ、この撮像ピクセル１３５０は、第１及び第２の時点でそれぞれ受光した第１及び第２の波長λ１、λ２を造影（画像化）するよう構成したイメージセンサを有することができる。ピクセル１３５０は、フォトニック構造１３１０から離間することができる、又はフォトニック構造１３１０に接触する、例えば、第２大表面１３１２に接触するよう配置することができる。実例を挙げれば、ピクセル１３５０は、フォトニック構造１３１０に接触する相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）をベースとするイメージセンサを有することができる。ピクセル１３５０に適切に電子的結合することができる検出回路１３４０は、第１及び第２の時点でピクセル１３５０からの電気信号を受信しかつ解析をするよう構成することができる。第１及び第２の発光団がそれぞれ第１及び第２の核酸に結合されている、非限定的実施例において、検出回路１３４０は、例えば、本明細書のいずれかの箇所で記載のようにして、第１及び第２の時点での電気信号に基づいて、第１及び第２の核酸のどちらがフォトニック構造に結合された特別なポリヌクレオチドであったかを同定するよう構成することができる。ＣＣＤカメラのピクセルのような他の撮像ピクセルを使用することができる。代表的な検出器は、非特許文献である「Bentley et al., Nature 456:53-59 (2008)」、特許文献である国際公開第９１／０６６７８号、同第０４／０１８４９７号、又は同第０７／１２３７４４号、米国特許第７，０５７，０２６号、同第７，３２９，４９２号、同第７，２１１，４１４号、同第７，３１５，０１９号、又は同第７，４０５，２８１号、米国特許出願公開第２００８／０１０８０８２号に記載されており、これら文献は、参照により内容全体が本明細書に組み入れられるものとする。
【０１１４】
本明細書で提示したようなデバイスは、さらに、フォトニック構造内の発光団を適切に励起するよう放射線をフォトニック構造に伝達することができる。例えば、デバイス１３００は、さらに、光学的コンポーネント１３３０によってフォトニック構造に伝達される放射線を発生するよう構成された、発光ダイオード（ＬＥＤ）のような広帯域励起源、又はレーザーのような狭帯域励起源を有することができる。
【０１１５】
図１３に示したデバイス１３００のような本発明デバイスは、随意的に本明細書のいずれかの箇所で記載したような１つ又はそれ以上のマイクロ流体形体を有することができる。例えば、デバイス１３００は、随意的に、フォトニック構造に接触する少なくとも１個のマイクロ流体形体であって、１つ又はそれ以上の検体のフローをピクセル上方に配置した第１及び第２の複数形体内又はそれらの上方に流し込むよう構成したマイクロ流体形体を有することができる。このような検体は、随意的に、ヌクレオチド、核酸又はポリメラーゼのような、核酸シークエンシングのための１つ又はそれ以上の試薬を含むことができる。
【０１１６】
このように、本発明によれば、発光性撮像法で使用されるピクセル数よりも多い数の部位で単色又は多色の発光信号を増強することができ、例えば、イラミーナ社から市販されているシークエンシングのプラットホームのような、従来既知の落射蛍光顕微鏡法走査システムと適合性があるフォトニック構造を含むデバイス、組成物、及び方法が提供される。例えば、本発明デバイス、組成物、及び方法の幾つかの実施形態は、光の波長のオーダーにおける距離だけ離間した「ホットスポット」を励起することができる。これら高強度共鳴（例えば、ファノ共鳴又は導波モード共鳴）形体の空間的分布は、例えば、フォトニック構造格子形体（例えば、シンメトリー）及び／又は励起ビームの波長、角度及び／又は偏光状態を適切に選択することによってチューニングすることができる。発光団（例えば、このような発光団に結合した生体分子）をこのようなフォトニック構造の近傍に配置することは、発光信号を増強することができるが、発光団励起、発光収集、又はその双方も共鳴的に増強することができる。このようにして、フォトニック構造は、例えば、異なる時点における励起ビームの特性を制御することによって選択的撮像部位励起を達成できる均一照明を用いて。単一ピクセル上方の複数撮像部位からの発光信号増強を達成する上で魅力的なプラットホームである。フォトニック構造は、図７D及び８Eにつき説明したようなクロストークを減少するようチューニングすることができる。代案として、フォトニック構造は省略することができ、また励起ビームは、例えば自由空間光学系又は多重レーザー干渉を用いて、撮像部位における選択した部位に指向させることができる。
【０１１７】
他の代案的実施形態
本発明の様々な実施形態を上述してきたが、当業者には本発明から逸脱することなくそれらにたし様々な改変及び変更を加えることができるのは明らかであろう。例えば、若干の組成物、システム、及び方法は、ＤＮＡ又はＲＮＡのようなポリヌクレオチドをシークエンシングすることに関連した発光性造影につき説明したが、任意の適切な被検物に関連する発光性造影での使用に適合することができる。特許請求の範囲は本発明の真の精神及び範囲に納まるこのような改変及び変更すべてをカバーすることを意図する。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【国際調査報告】
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